以“細(xì)胞能量通貨ATP”為例談高中生物學(xué)教學(xué)中生命觀念培養(yǎng)

蘇國義

摘要 分析人教版教材中“細(xì)胞的能量通貨ATP”所蘊(yùn)含的生命觀念，梳理教材內(nèi)容涵蓋的基本概念、生物學(xué)事實(shí)，并整合概念，從而滲透生命觀念。

關(guān)鍵詞 生命觀念 核心素養(yǎng) ATP

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

美國著名課程專家林恩·埃里克森提出了“觀念為本的課程與教學(xué)”，學(xué)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)在于提升思維能力，而非掌握更多的事實(shí)內(nèi)容。她認(rèn)為，課程內(nèi)容應(yīng)該圍繞學(xué)科觀念進(jìn)行選擇，具體事實(shí)應(yīng)該作為工具來幫助學(xué)生發(fā)展深層理解;教學(xué)重心應(yīng)該從講授事實(shí)轉(zhuǎn)移到“使用”事實(shí)，以便教授和評(píng)價(jià)更深層次的理解;學(xué)習(xí)重心應(yīng)該從記憶事實(shí)轉(zhuǎn)移到理解可遷移的核心觀念和對(duì)更為根本的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層理解，培養(yǎng)和發(fā)展思維能力。

在生物學(xué)教學(xué)中，教師和學(xué)生都記住了許多生物學(xué)事實(shí)和概念，但卻存在割裂、機(jī)械地照搬生物學(xué)概念。教師備課、上課基本上以考試能否過關(guān)為標(biāo)準(zhǔn)，來考查學(xué)生的掌握情況，很少挖掘這些知識(shí)隱含的生命觀念。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版》）將生命觀念作為生物學(xué)核心素養(yǎng)之首，就是要凸顯這些觀念在生物學(xué)課程中的地位和育人價(jià)值。學(xué)生只有理解了生命的本質(zhì)，才能將有關(guān)概念融會(huì)貫通，能夠在學(xué)習(xí)、生活中，運(yùn)用生命觀念去分析和解決問題，進(jìn)一步提升對(duì)生物學(xué)的理解。其實(shí)教材的每一章節(jié)都蘊(yùn)含著大量生命觀念素材，因此在教學(xué)中，教師要以細(xì)碎的、具體的事實(shí)性知識(shí)為基礎(chǔ)，幫助學(xué)生概括為抽象的重要概念和大概念。下面以人教版《必修1·分子與細(xì)胞》教材中“細(xì)胞能量通貨——ATP”一節(jié)的教學(xué)為例，談?wù)勆^念的培養(yǎng)。

1 解讀生命觀念

生命觀念是指對(duì)觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象，是人們經(jīng)過實(shí)證后的觀點(diǎn)，是能夠理解或解釋生物學(xué)相關(guān)事件和現(xiàn)象的意識(shí)、觀念和思想方法。生命觀念在高中生物學(xué)課程具體表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀。生命觀念是生物學(xué)核心概念的呈現(xiàn)方式，是貫穿不同內(nèi)容的主線，更是對(duì)生物學(xué)事實(shí)的整合和提升。教師應(yīng)要求學(xué)生不僅要掌握，而且要將所學(xué)的具體知識(shí)圍繞核心概念整合內(nèi)化成生命觀念，并能用生命觀念認(rèn)識(shí)生物的多樣性和統(tǒng)一性，形成科學(xué)的自然觀和世界觀，指導(dǎo)探究生命活動(dòng)規(guī)律，解決實(shí)際問題。因此教師需仔細(xì)研究課程標(biāo)準(zhǔn)、研讀教材，挖掘出教材中與生命觀念相對(duì)應(yīng)的具體生物學(xué)事實(shí)，并在教學(xué)過程中有意識(shí)地滲透這些觀念?！凹?xì)胞能量通貨ATP”這一節(jié)所涉及的主要生命觀念及對(duì)這些生命觀念的理解見表1。

2 教學(xué)中如何培養(yǎng)生命觀念

2.1 物質(zhì)與能量觀

物質(zhì)與能量的主要觀點(diǎn)表現(xiàn)為：生命是建立在特定的物質(zhì)基礎(chǔ)上，細(xì)胞內(nèi)的化合物是重要的生命物質(zhì)，能量是維持和更新生命的動(dòng)力。能量是推動(dòng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變的助燃劑;物質(zhì)的轉(zhuǎn)變離不開能量的推動(dòng)。物質(zhì)的合成和分解總是伴隨著能量的吸收和釋放。

在學(xué)習(xí)第二章細(xì)胞中的元素和化合物后，學(xué)生己具備了有關(guān)能源物質(zhì)的基本概念：葡萄糖是生命活動(dòng)的主要能源：脂肪是生物細(xì)胞中的良好儲(chǔ)能物質(zhì)：初中學(xué)過植物細(xì)胞的葉綠體進(jìn)行光合作用，把光能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物中的能量。在細(xì)胞生命系統(tǒng)中上，ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)，可以提供能量，說明物質(zhì)是能量的載體。教師首先讓學(xué)生在真實(shí)的情景中感受到真實(shí)的物質(zhì)，課上以小組為單位，發(fā)放三磷酸腺苷二鈉片實(shí)物及說明書，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)ATP的元素、化合物，思考這種化合物是為細(xì)胞提供能量的原因，從而引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)，真切感知生命的神奇，來激發(fā)學(xué)生認(rèn)知生命的興趣。

緊接著，教師呈現(xiàn)“青蛙腓腸肌在不同能源物質(zhì)處理下收縮情況”的實(shí)驗(yàn)視頻：先制備青蛙坐骨神經(jīng)一腓腸肌標(biāo)本;再施加電刺激，耗盡能量：接著，對(duì)兩塊肌肉標(biāo)本分別滴加葡萄糖溶液，ATP溶液，并用電刺激坐骨神經(jīng)，觀察肌肉收縮情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滴加ATP溶液的肌肉收縮明顯。學(xué)生可以推斷出ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)親身體驗(yàn)科學(xué)探究的的方法和技能，學(xué)生可能會(huì)發(fā)現(xiàn)肌肉收縮由ATP供能，此過程中會(huì)發(fā)生相應(yīng)的物質(zhì)變化，從而構(gòu)建物質(zhì)與能量的生命觀念。

2.2 結(jié)構(gòu)與功能觀

生物體的結(jié)構(gòu)與功能是相適應(yīng)的，是生物體長期進(jìn)化形成的，是生物體適應(yīng)環(huán)境的一種體現(xiàn)。結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)包括兩層含義：一定的結(jié)構(gòu)必然對(duì)應(yīng)一定的功能：任何功能都需要一定的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。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，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能觀來分析：ATP究竟有什么樣的結(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？

教學(xué)過程中，教師要設(shè)計(jì)活動(dòng)，讓學(xué)生以利用生活中的實(shí)物或圖畫形式直觀地表達(dá)細(xì)胞的成分與結(jié)構(gòu)特征，直觀顯示結(jié)構(gòu)。這樣既符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，抽象知識(shí)具體化，也能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生先自主閱讀教材內(nèi)容，然后分組討論：明確ATP的分子名稱、結(jié)構(gòu)簡式及高能磷酸鍵等知識(shí)。學(xué)生在興趣的驅(qū)動(dòng)下，探究ATP結(jié)構(gòu)式，以小組為單位完成ATP結(jié)構(gòu)簡式的拼裝。然后，教師邀請(qǐng)一個(gè)小組展示作品，3人相互合作展示，總結(jié)模型中每個(gè)構(gòu)件的含義、數(shù)目。如有不完整的地方，可有其他小組同學(xué)評(píng)價(jià)、修正。學(xué)生在拼裝ATP分子結(jié)構(gòu)模型過程中，進(jìn)一步加深對(duì)結(jié)構(gòu)的理解，通過模型的構(gòu)建，學(xué)生徹底弄清了ATP的各個(gè)組成部分。

學(xué)生通過一定的物質(zhì)形式或思維方式來構(gòu)建生物模型，對(duì)生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行研究和模擬，幫助其理解和掌握生物科學(xué)知識(shí)，同時(shí)為認(rèn)識(shí)事物提供一種思路和方法。學(xué)生更能以積極主動(dòng)的態(tài)度去發(fā)現(xiàn)和解決問題。因此，教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生己有知識(shí)，選擇實(shí)際生活材料，創(chuàng)設(shè)特定問題情境，讓學(xué)生對(duì)其中的生命現(xiàn)象進(jìn)行解釋，在嘗試解釋和歸納過程中學(xué)習(xí)新知，樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

2.3 進(jìn)化與適應(yīng)觀

進(jìn)化觀是從歷史的維度去進(jìn)一步理解生命所建立起來的思想與觀念。所有的生命現(xiàn)象，其最終的原因都要到進(jìn)化里去尋找，因此，進(jìn)化觀是最具有生物學(xué)屬性的觀念群。進(jìn)化觀又包括以下具體的觀念：遺傳與變異、進(jìn)化與適應(yīng)、統(tǒng)一性與多樣性。本節(jié)著重體現(xiàn)的是在生命系統(tǒng)的統(tǒng)一性上。在一線教學(xué)過程中，思維活躍的學(xué)生經(jīng)常會(huì)提出：葡萄糖、脂肪，ATP等物質(zhì)都含有能量，葡萄糖等能源物質(zhì)為什么不能直接供能，而生命系統(tǒng)選擇ATP為生命活動(dòng)直接供能？除結(jié)構(gòu)與功能觀解釋外，教師可以引導(dǎo)學(xué)生從進(jìn)化的角度推測：腺嘌吟可能是較早產(chǎn)生的堿基。接著，學(xué)生可能又會(huì)提出問題：ATP中的堿基A能否換成其他堿基，如CTP、UTP、GTP、TTP？人體細(xì)胞中存在CTP、UTP、GTP、TTP嗎？若存在，人體內(nèi)能量的主要載體為什么是ATP？這時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生從進(jìn)化觀的角度分析，生物的蛋白質(zhì)雖然千變?nèi)f化，但是某些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)域是很保守的，如ATP的催化位點(diǎn)。各種蛋白識(shí)別ATP的位點(diǎn)較多，所以ATP提供能量的范圍更廣。CTP、UTP、GTP、TTP等也有高能磷酸鍵，也是高能磷酸化合物。但在細(xì)胞中分工不同，主要表現(xiàn)在GTP主要用于合成蛋白質(zhì);CTP主要用于合成脂質(zhì);UTP主要用于合成多糖。所以在能量提供方面，大多數(shù)代謝反應(yīng)是由ATP供能。植物、動(dòng)物、細(xì)菌和真菌等細(xì)胞生物體內(nèi)都選擇ATP作為直接能源物質(zhì)，這就說明生物界具有統(tǒng)一性，也反映生物有著共同的起源。

生命系統(tǒng)的正常運(yùn)行和發(fā)展體現(xiàn)了進(jìn)化與適應(yīng)觀。生命系統(tǒng)的正常運(yùn)行是適應(yīng)的表現(xiàn)，可見，進(jìn)化是生物科學(xué)的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)進(jìn)化的觀點(diǎn)能夠幫助學(xué)生更好地理解生物學(xué)，因此，教師首先應(yīng)該先行理解進(jìn)化的涵義和進(jìn)化的規(guī)律，再在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的進(jìn)化觀，使學(xué)生的生命觀念全面發(fā)展。

2.4 穩(wěn)態(tài)與平衡觀

穩(wěn)態(tài)是生命系統(tǒng)的特征，也是機(jī)體存活的條件。穩(wěn)態(tài)是通過調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)平衡。調(diào)節(jié)機(jī)制使各種干擾保持在一定范圍之內(nèi)，使系統(tǒng)保持其協(xié)調(diào)穩(wěn)定，呈現(xiàn)出平衡與運(yùn)動(dòng)的有機(jī)統(tǒng)一。細(xì)胞層次的穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)之一就在ATP與ADP的相互快速轉(zhuǎn)化。學(xué)生自主分析材料——電鰻受到外界刺激，就會(huì)連續(xù)放電，電流10～15s后完全消失，經(jīng)過極短時(shí)間后，就能恢復(fù)同等的放電能力，從而得出ATP在細(xì)胞內(nèi)的含量很少，但是ATP與ADP在細(xì)胞內(nèi)的相互轉(zhuǎn)化卻是十分迅速。緊接著，教師呈現(xiàn)相關(guān)資料，讓學(xué)生得出“在活細(xì)胞中，ATP末端的磷酸基團(tuán)的周轉(zhuǎn)是十分快的”，進(jìn)而讓學(xué)生理解：ATP的消耗與再生是相對(duì)平衡的，ATP的含量因而維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的、動(dòng)態(tài)平衡的水平?？梢?，細(xì)胞內(nèi)ATP與ADP處于動(dòng)態(tài)平衡之中，這對(duì)于構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定的供能環(huán)境具有十分重要意義。

教師在課堂教學(xué)中滲透穩(wěn)態(tài)與平衡觀的培養(yǎng)，可以幫助學(xué)生從系統(tǒng)整體的高度分析理解生命現(xiàn)象，同時(shí)使學(xué)生對(duì)穩(wěn)態(tài)與平衡之間的關(guān)系有更深刻的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而真正理解生命的本質(zhì)，樹立生命觀念。

3 教學(xué)反思

生命科學(xué)如何體現(xiàn)生命性？教師在教學(xué)過程中應(yīng)該把生命觀念培養(yǎng)融合到概念、事實(shí)教學(xué)體系中，滲透到課堂教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。生命觀念的達(dá)成需要一個(gè)長期逐漸的積累，不是一節(jié)課、一個(gè)單元就能建立的。當(dāng)前教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容的組織還沒有過渡到核心概念上來，對(duì)于生命觀念的落實(shí)還有很大的提升空間。因此，要在教學(xué)中落實(shí)生命觀念，就要求教師鉆研課程標(biāo)準(zhǔn)，盡快轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，在教學(xué)中要注重與生活銜接，積極開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建生物模型，促進(jìn)學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)與能量觀等生命觀念，并且能用生命觀念認(rèn)識(shí)生命世界、解釋生命現(xiàn)象、生物問題，進(jìn)一步提升學(xué)生的生命觀念與核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳成軍.基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的高考命題研究[J].中國考試，2016，（10）：25-31.

[2]任曉米.例析高中生命科學(xué)教材涉及的生命觀念及其教學(xué)策略[J].生物學(xué)教學(xué)，2018，（4）：29-30.