高中生物學跨學科理念的教學實踐

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》建議在教學中加強學科間的橫向聯系，不僅有利于學生理解科學的本質、科學的思想方法及跨學科的科學概念和過程，還有助于學生建立科學的生命觀，逐步形成正確的世界觀，發展學生的生物學學科核心素養。“跨學科\"概念最早出現在20世紀20年代的美國，其指出要綜合運用各學科知識來解決復雜問題。基于這一理念，學生在分析某學科的問題時，應打破學科界限，整合多學科知識內容，以產生新的理解、構建更全面的認知。在高中生物學教學過程中，針對學科交叉的領域，教師可以引導學生運用多學科內容實現對生物學概念的深度理解，進而形成科學的思維方法，以此體現學科育人的價值。

1教學分析及設計思路

“細胞的能量‘貨幣’ATP\"是人教版普通高中教科書《生物等·必修1·分子與細胞》第5章第2節的內容。《課程標準》對本節的內容要求是：解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。教師需要提供一系列事實，引導學生進行探究分析，逐步構建這一概念。本節內容與化學、物理和數學等學科知識聯系緊密，是高中生進行跨學科學習的良好材料。教師通過多學科整合，幫助學生明確ATP的生理功能、結構特點、能量轉變以及ATP與ADP相互轉化的過程，進而理解ATP在細胞能量代謝過程中作為傳遞媒介的關鍵作用（見圖1）。

2教學目標

（（1）通過學習ATP的結構，運用結構與功能觀解釋ATP的功能，理解ATP與ADP的相互轉化在新陳代謝中的作用，初步形成物質與能量觀、穩態與平衡觀的生命觀念。

（②能夠基于科學史資料，結合小組合作構建和教師演示的物理模型，歸納概括ATP的結構特點和能量來源，進一步構建ATP與ADP相互轉化的概念模型，發展科學思維。

（3）能夠設計實驗探究肌纖維收縮的直接能源物質，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力。

（4能夠利用所學知識解釋腺苷三磷酸二鈉能夠輔助治療進行性肌萎縮的原理，養成崇尚科學、熱愛運動的習慣，進而培養社會責任意識。

3教學過程

3.1開展小組實驗，探究ATP的功能

教師播放運動會上短跑比賽的近景視頻，引導學生觀察運動員腿部肌肉的變化并提出問題：運動員跑步時肌肉收縮所需的能量是由什么物質直接提供的？部分學生猜測是葡萄糖，教師借此展示一種新物質“ATP”，引發學生產生認知沖突，并以此驅動學生設計實驗，探究直接為肌纖維收縮提供能量的物質是葡萄糖還是ATP。接著，教師展示材料用具，并利用化學知識解釋電流能夠刺激神經從而產生動作電位使肌肉收縮。

設計意圖：教師創設運動會的真實情境，引導學生通過實驗明確ATP的生理功能，進而提出“直接為肌纖維收縮提供能量的物質是葡萄糖還是ATP”的問題，幫助學生綜合運用不同學科知識探究ATP的結構特點和作用機制。

3.2利用化學成鍵原理，解析ATP的結構

資料一：1935年，羅曼（K.Lohmann）確定了ATP由1個核糖、1個腺嘌呤和3個磷酸基團組成。

資料二：1941年，李普曼（F.A.Lipmann）用符號4 ～ ”代表連接磷酸基團的“特殊化學鍵”。

教師據此提出問題：從化學角度分析，為什么這種特殊化學鍵不穩定？教師以此引導學生理解：磷酸基團在水溶液中能電離出氫離子，導致磷酸基團都帶負電荷，因此必須消耗能量才能克服磷酸基團之間的斥力。之后教師結合具體數據，引導學生得出結論：ATP是一種高能磷酸化合物。

設計意圖：教師利用化學共價鍵的形成原理和電離作用，幫助學生驗證ATP結構模型的合理性并深度探究ATP的結構特點，為學生學習ATP的水解過程奠定基礎。

3.3結合物理能量觀，推理ATP的利用

教師展示ATP的物理模型并根據能量守恒定律提出問題：ATP水解過程中發生了怎樣的能量轉變？學生結合物理學科相關知識，明確高能磷酸鍵斷裂的過程是化學能轉化為其他形式能量的過程。由此，學生自主書寫出ATP水解的反應式，列舉出釋放的能量可以用于哪些生命活動，并逐一說明其中的能量轉變過程。

教師提問：“ATP水解釋放的能量如何使細胞完成主動運輸？”同時播放視頻，引導學生仔細觀察磷酸基團的去向和載體蛋白的變化。學生根據視頻對整個過程進行排序，總結載體蛋白的作用，明確ATP的供能機制。

設計意圖：教師帶領學生將ATP中高能磷酸鍵斷裂后的能量轉變過程具象化，幫助學生進一步理解ATP水解釋放的能量可轉化為其他形式的能量并驅動細胞進行各項生命活動，進而形成物理與生物學相關聯的跨學科能量觀。

3.4構建數學模型，理解ATP的轉化

教師呈現有關ATP發現的科學史資料及人體中ATP的含量、消耗和轉化的資料，并提出問題：ATP如此重要，其在細胞中的含量是否較高？細胞中的ATP在能量供求過程中存在什么問題？ATP與ADP的相互轉化有什么特點？

學生通過閱讀科學史資料，發現細胞中ATP的含量很少，且人體中存在ATP總量很少而消耗量很大的能量供求問題。學生利用資料信息繼續推測出ATP與ADP可以快速進行轉化并維持動態平衡，以此解決能量供求問題。教師通過引導學生回顧光合作用和細胞呼吸的已有知識，幫助學生明確合成ATP的能量來源以及ATP與ADP相互轉化的反應式。為了便于學生理解放能反應和吸能反應的原理，教師可以在化學反應能量變化圖的基礎上構建“ATP水解和合成的能量變化”的數學模型，直觀地說明ATP的水解屬于放能反應，ATP的合成屬于吸能反應。教師引導學生完善ATP與ADP相互轉化的概念模型（見圖2），進而明確ATP作為細胞內能量“貨幣\"的重要作用。

設計意圖：學生通過獲取關鍵數據并進行數據對比，發現人體內ATP的供求矛盾，理解ATP與ADP相互轉化的過程；結合化學反應與能量變化原理構建數學模型，深度理解ATP的水解與合成和吸能反應與放能反應之間的聯系，突破思維難點，為后續構建ATP與ADP相互轉化的概念模型提供充分依據。

3.5聯系化學電離與水解，解釋ATP的應用

教師以肌肉收縮的真實情境為例，呈現進行性肌萎縮的肌纖維變化圖片，展示藥物腺苷三磷酸二鈉片及其說明書上的結構式，引導學生利用本節所學知識解釋該藥物用于輔助治療進行性肌萎縮的原理。學生提出新問題：“該藥物為什么不直接利用ATP制成”，經討論后發現相比于ATP電離出氫離子使溶液呈酸性，腺苷三磷酸二鈉作為磷酸鹽的溶液一般呈中性，進入人體后不會輕易破壞人體內的酸堿平衡，更適合作為藥物。

設計意圖：學生通過分析磷酸鹽的化學特點，明確腺苷三磷酸二鈉既能發揮ATP的作用，又具備良好的藥物適用性，從而提高自身利用所學知識解決實際問題的能力。

4教學反思

本節課的教學實踐基于跨學科理念，整合多學科知識逐步解釋ATP的相關內容，最終解決“ATP為什么能作為直接能源物質”的生物學問題，滲透了“實證性\"“觀察與推論\"“理論與定律\"等科學本質內涵。然而，值得反思的是學生尚未學習，跨學科教學中所運用的化學知識，對教學的順利進行和學生的深入理解有一定的影響。

參考文獻

[1]張玉華.跨學科主題學習的水平分析與深化策略[J].全球教育展望，2023，52（3）：48-61.