在深度學(xué)習(xí)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)例析

孟凡龍 （揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)東部分校 江蘇揚(yáng)州 225003）

深度學(xué)習(xí)（deep learning）概念最早是由美國(guó)學(xué)者Ference Marton 和Roger Saljo 在1976年相對(duì)于孤立記憶和非批判性接受知識(shí)的淺層學(xué)習(xí)（surfa－ce learning）概念而提出的。之后，深度學(xué)習(xí)在人工智能領(lǐng)域研究較多。隨著社會(huì)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)概念逐漸引用到教育領(lǐng)域，2005年上海師范大學(xué)黎加厚教授對(duì)深度學(xué)習(xí)進(jìn)行了界定： 在理解學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者能批判性地學(xué)習(xí)新的思想和事實(shí)，并將它們?nèi)谌朐械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，能在眾多思想間進(jìn)行聯(lián)系，并能將已有的知識(shí)遷移到新的情境中，作出決策和解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)。

深度學(xué)習(xí)是在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過(guò)程。在此過(guò)程中，學(xué)生掌握學(xué)科的核心知識(shí)，理解學(xué)習(xí)的過(guò)程，把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、高級(jí)的社會(huì)性情感、積極的態(tài)度、正確的價(jià)值觀，成為既具獨(dú)立性、批判性、創(chuàng)造性，又有合作精神、基礎(chǔ)扎實(shí)的優(yōu)秀的學(xué)習(xí)者，成為未來(lái)社會(huì)歷史實(shí)踐的主人［1］。在促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的過(guò)程中有一些重要特征，本文以“生命活動(dòng)的能量‘通貨’——ATP”為例，闡述在深度學(xué)習(xí)ATP 的過(guò)程中如何培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

1 在聯(lián)想與結(jié)構(gòu)中體會(huì)科學(xué)探究

“聯(lián)想與結(jié)構(gòu)”是促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的基本特征，需要通過(guò)調(diào)動(dòng)學(xué)生以往的經(jīng)驗(yàn)參與當(dāng)下的學(xué)習(xí)，并將當(dāng)下學(xué)習(xí)內(nèi)容與已有經(jīng)驗(yàn)建立結(jié)構(gòu)性的關(guān)聯(lián)，從而使知識(shí)轉(zhuǎn)化為與學(xué)生個(gè)體有關(guān)聯(lián)的、能操作和思考的內(nèi)容?！奥?lián)想與結(jié)構(gòu)”需要并發(fā)展學(xué)生的記憶、理解、關(guān)聯(lián)能力，以及系統(tǒng)化的思維與結(jié)構(gòu)能力。

在學(xué)習(xí)ATP 內(nèi)容之前，學(xué)生已具備了有關(guān)能量的基本概念：葡萄糖是生物體維持生命活動(dòng)的主要能源，能通過(guò)氧化分解為生命活動(dòng)提供能量；脂肪是生物細(xì)胞中的主要儲(chǔ)能物質(zhì)，儲(chǔ)存著細(xì)胞中大部分能量；光能可以通過(guò)植物細(xì)胞中的葉綠體進(jìn)行光合作用進(jìn)入生物體內(nèi)而加以利用。由此引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想ATP 是一種什么樣的能源？ 它是如何為細(xì)胞提供能量的？教師按小組分別發(fā)放“三磷酸腺苷二鈉注射液”和“三磷酸腺苷二鈉片”實(shí)物，請(qǐng)學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究ATP 的功能。

教師呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)材料： 螢火蟲(chóng)20 只、小刀、研缽、試管、水、三磷酸腺苷二鈉注射液、葡萄糖、脂肪。請(qǐng)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。教師引導(dǎo)學(xué)生在對(duì)照原則、單一變量原則的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可是實(shí)驗(yàn)結(jié)果中卻出現(xiàn)了都發(fā)光現(xiàn)象，與預(yù)測(cè)不符，學(xué)生分析其原因可能是發(fā)光器中還有能源物質(zhì)，需要對(duì)發(fā)光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前處理。如何處理才能消耗發(fā)光器原有的能源物質(zhì)？ 教師引導(dǎo)學(xué)生將發(fā)光器取出干燥后研磨成粉末，分裝后再加少量水混合，大約15 min 后淡黃色熒光消失，這樣才能繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有加入ATP 的試管中又發(fā)出了熒光，進(jìn)而推論得出只有ATP 是直接驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的能源物質(zhì)。

既然ATP 具有驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)這一功能，從結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的觀點(diǎn)分析：生命系統(tǒng)都是結(jié)構(gòu)有序的系統(tǒng)，必然有相應(yīng)的ATP 結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，ATP 具有怎樣的結(jié)構(gòu)能直接為細(xì)胞生命活動(dòng)供能？

2 在活動(dòng)與體驗(yàn)中培養(yǎng)科學(xué)思維

“活動(dòng)與體驗(yàn)”是深度學(xué)習(xí)的核心特征，需要學(xué)生作為活動(dòng)主體，主動(dòng)全身心投入?yún)⑴c探索、發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷知識(shí)形成的過(guò)程，是學(xué)生深度學(xué)習(xí)的機(jī)制。學(xué)生通過(guò)“活動(dòng)與體驗(yàn)”，在以全部的思想和精神感受、體驗(yàn)和模擬豐富復(fù)雜的痛苦或欣喜感覺(jué)經(jīng)歷的過(guò)程中發(fā)展了科學(xué)思維。

教師呈現(xiàn)ATP 的化學(xué)結(jié)構(gòu)式（標(biāo)注“腺嘌呤”“核糖”“磷酸基團(tuán)”），學(xué)生很容易與已學(xué)的DNA、RNA 的基本單位發(fā)生認(rèn)知沖突。教師為每個(gè)小組提供一個(gè)信封，內(nèi)含剪紙模型：腺嘌呤3 個(gè)、核糖2 個(gè)、脫氧核糖1 個(gè)、磷酸5 個(gè)，請(qǐng)學(xué)生分別制作DNA的基本單位、RNA 的基本單位、ATP 的結(jié)構(gòu)等3 個(gè)模型，用筆畫(huà)出各部分連接的化學(xué)鍵，并請(qǐng)3 位學(xué)生在黑板上利用制作好的軟磁鐵分別構(gòu)建這3 個(gè)模型。

很多學(xué)生能成功構(gòu)建DNA 和RNA 基本單位的模型，但在繪制ATP 結(jié)構(gòu)模型的高能磷酸鍵時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題，教師及時(shí)利用生成的“錯(cuò)誤”資源，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)ATP 的功能可反推其結(jié)構(gòu)中應(yīng)儲(chǔ)存比普通化學(xué)鍵更多的能量，并提供具體數(shù)據(jù)，形成 感性認(rèn) 識(shí)［2］。

師生一起比較這3 個(gè)模型，分別說(shuō)出任意2個(gè)模型之間的區(qū)別。教師結(jié)合ATP 的結(jié)構(gòu)模型引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建ATP 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，并提醒學(xué)生注意ATP 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式中的A 與ATP 的結(jié)構(gòu)模型中的A在寫(xiě)法上的區(qū)別，并給ATP 命名，同時(shí)設(shè)計(jì)題目區(qū)分幾個(gè)“A”：DNA 一條鏈中的A、RNA 單鏈中的A、DNA 基本單位、RNA 的基本單位、ATP 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，通過(guò)比較明確概念的本質(zhì)。

教師適當(dāng)拓展遷移：ATP 結(jié)構(gòu)中的堿基A 能否換成其他的堿基，如GTP、CTP、TTP、UTP？在細(xì)胞的能量傳遞中ATP 作為主要的能量載體，其他核苷三磷酸也會(huì)在不同的反應(yīng)中參與能量的傳遞。

3 在本質(zhì)與遷移中領(lǐng)悟生命觀念

“本質(zhì)與遷移”是深度學(xué)習(xí)的屬性特征，要求學(xué)生能抓住教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)屬性，全面把握知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)正例、特例、反例等提升學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行深度加工的意識(shí)與能力，同時(shí)在對(duì)教學(xué)內(nèi)容內(nèi)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)遷移應(yīng)用加強(qiáng)對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)果的外化，嘗試在教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行未來(lái)的社會(huì)實(shí)踐。

教師呈現(xiàn)資料1：人體處于安靜狀態(tài)時(shí)，肌肉內(nèi)ATP 含量只能供肌肉收縮1～2 s 所需的能量，24 h 內(nèi)竟有40 kg 的ATP 被水解。若在劇烈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，每1 min 竟約有0.5 kg 的ATP 分解釋放能量，供運(yùn)動(dòng)所需。教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)計(jì)算分析，可知細(xì)胞中的ATP 含量很少，但轉(zhuǎn)化很迅速。

從物質(zhì)與能量觀分析： 生命活動(dòng)中物質(zhì)的運(yùn)輸和變化往往與能量供應(yīng)、流轉(zhuǎn)相伴隨，ATP 在提供能量的過(guò)程中發(fā)生了怎樣的物質(zhì)變化？

教師結(jié)合ATP 的結(jié)構(gòu)引導(dǎo)學(xué)生分析ATP 很活潑、不穩(wěn)定的原因：ATP 中磷酸基團(tuán)之間相鄰的負(fù)電荷之間相互排斥；ATP 水解后的產(chǎn)物比ATP具有更大的共振穩(wěn)定性；熱力學(xué)上的驅(qū)動(dòng)力促使ATP水解。

教師請(qǐng)學(xué)生根據(jù)對(duì)ATP 結(jié)構(gòu)的理解，利用ATP 的結(jié)構(gòu)模型演示ATP 的水解過(guò)程，基本上所有學(xué)生都能正確斷裂ATP 中遠(yuǎn)離A 的高能磷酸鍵，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)產(chǎn)物命名，并寫(xiě)出完整的水解反應(yīng)式，釋放的能量有哪些用途？請(qǐng)學(xué)生舉例說(shuō)明，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解ADP 中的高能磷酸鍵還可以水解，且水解后的產(chǎn)物是RNA 的基本單位之一。

從穩(wěn)態(tài)與平衡觀分析：生命系統(tǒng)是開(kāi)放的，內(nèi)部也時(shí)刻在發(fā)生物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)換，但多數(shù)時(shí)候又維持相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)，ATP 在發(fā)生物質(zhì)變化的過(guò)程中是如何維持其在細(xì)胞中的相對(duì)穩(wěn)定的？

教師呈現(xiàn)資料2：科學(xué)家將標(biāo)記的磷酸（32P）注入到活細(xì)胞內(nèi)，隨后迅速分離細(xì)胞內(nèi)的ATP，測(cè)定其放射性。實(shí)驗(yàn)表明，雖然ATP 的含量并沒(méi)有發(fā)生變化，但它的末端磷酸基團(tuán)已被放射性32P 所標(biāo)記，且ATP 的放射性強(qiáng)度和之前的無(wú)機(jī)磷酸的放射性強(qiáng)度完全一致。

由于生物體細(xì)胞中的ATP 含量很少，學(xué)生很容易推測(cè)得出ATP 在水解的同時(shí)就要不斷地進(jìn)行合成，教師設(shè)計(jì)問(wèn)題①：ATP 是如何進(jìn)行合成的？請(qǐng)學(xué)生利用ATP 的結(jié)構(gòu)模型演示ATP 的合成過(guò)程。有少部分學(xué)生將ATP 水解時(shí)釋放的能量剪紙拿過(guò)來(lái)直接合成新的ATP，教師及時(shí)利用這個(gè)生成資源引導(dǎo)學(xué)生分析其原因，深層次理解能量的存在狀態(tài)。

問(wèn)題②：ATP 合成所需的能量來(lái)源在哪里？學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)很容易聯(lián)想到葡萄糖、脂肪，教師及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生理解葡萄糖和脂肪可以通過(guò)動(dòng)物的細(xì)胞呼吸方式將其氧化分解，產(chǎn)生的能量用于合成ATP，同時(shí)通過(guò)類(lèi)比方式區(qū)分葡萄糖、脂肪和ATP 對(duì)能量的貢獻(xiàn)。

問(wèn)題③：植物細(xì)胞中ATP 合成所需的能量來(lái)源有哪些？ 學(xué)生很容易聯(lián)想到光合作用可以將光能轉(zhuǎn)化成ATP 中的化學(xué)能。教師提醒學(xué)生植物體內(nèi)也有細(xì)胞呼吸。

問(wèn)題④：ATP 的水解和ATP 的合成是可逆反應(yīng)嗎？請(qǐng)學(xué)生總結(jié)歸納其原因。教師引導(dǎo)學(xué)生，ATP的水解與合成使得其在體內(nèi)不會(huì)因大量?jī)?chǔ)存而導(dǎo)致浪費(fèi)，從而深入理解生物體的節(jié)約高效機(jī)制。

4 在價(jià)值與評(píng)價(jià)中提升社會(huì)責(zé)任

“價(jià)值與評(píng)價(jià)”是深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)特征，是要幫助學(xué)生自覺(jué)思考所學(xué)知識(shí)的地位與價(jià)值、優(yōu)勢(shì)與不足、用途與局限，并促使學(xué)生主動(dòng)對(duì)所學(xué)知識(shí)及學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行質(zhì)疑、批判與評(píng)價(jià)，進(jìn)而養(yǎng)成自覺(jué)理性的精神與正確的價(jià)值觀，形成學(xué)生自主發(fā)展的核心素養(yǎng)。

教師請(qǐng)一位學(xué)生模擬“醫(yī)生”角色，向不同職業(yè)的人群介紹ATP 的基本內(nèi)容及其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，不同職業(yè)的人也可以向“醫(yī)生”提出自己對(duì)ATP的一些疑問(wèn)。通過(guò)模擬體驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，滲透著熱愛(ài)自然和生命的情感教育，學(xué)生對(duì)ATP 的理解更加科學(xué)理性，并提升了社會(huì)責(zé)任感。

在深度學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師要自覺(jué)賦予自己更豐富的職責(zé)，將教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化成教學(xué)材料，通過(guò)設(shè)計(jì)螢火蟲(chóng)的探究實(shí)驗(yàn)、ATP 的結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建、有關(guān)科學(xué)資料分析、角色扮演等方式，帶領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)參與體驗(yàn)ATP 的發(fā)現(xiàn)發(fā)展歷程，引導(dǎo)學(xué)生思考和體會(huì)教學(xué)材料所蘊(yùn)含的復(fù)雜而豐富的思想和情感內(nèi)容，在聯(lián)想、活動(dòng)、本質(zhì)、遷移、評(píng)價(jià)中不斷提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，促使學(xué)生成長(zhǎng)為有思想、有能力、有高級(jí)的社會(huì)性情感、有積極的態(tài)度和正確價(jià)值觀的未來(lái)社會(huì)的主人［3］。