高中生物教学中发展学生科学思维的策略

王扬飞

[摘 要]发展学生的科学思维是高中生物课堂教学的重要任务之一。以《细胞的能量通货——ATP》的教学为例，利用生活现象、结构简式图、矛盾冲突、课堂练习等手段，引导学生经历实验探究、建模分析、演绎推理、图文转化等过程，可有效发展学生的科学思维。

[关键词]科学思维；高中生物课堂；细胞的能量通货

[中图分类号] G633.91 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2018）26-0080-02

“科学思维”是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。高中生物课堂是发展学生科学思维的主要阵地。学生科学思维的发展不可能一蹴而就，需要在长期教学过程中潜移默化，不断渗透。因此，在高中生物课堂教学中，教师应针对不同的教学内容采用不同的教学策略，使学生不仅能收获生物学知识，还能发展科学思维。

一、 立足生活现象，于实验探究中发展学生的科学思维

【质疑】能使萤火虫直接发光的物质是什么？

【实验论证】展示科学家的探究过程：先从萤火虫体内分离出发光器，然后把发光器研磨成粉末后，分成3等分，分别放入3支试管中，各加入等量水使之混合，置于暗处；接着分别向这3支试管加入各2毫升的葡萄糖溶液、ATP制剂和蒸馏水。学生观察到萤火中体内的发光器直接发光。

【评析】以学生熟悉的萤火虫发光作为导课内容，引导学生思考并得出“萤火虫发光是因为有能量”的结论。学生容易联想到已经学过的糖类、脂肪和蛋白质等有机物。那么，使萤火虫发光的是这些有机物吗？通过展示科学家的实验探究过程，使学生了解到ATP是使萤火虫直接发光的物质，ATP的作用是直接能源物质。同时可让学生明确，对于生活中出现的疑难问题，最好的办法是通过实验论证，进而解决问题。

二、 利用结构简式图，于建模分析中发展学生的科学思维

【质疑】从结构上分析，为什么ATP可以作为直接能源物质？

【模型论证】让学生写出ATP的中文名称：三磷酸腺苷，并说出ATP各符号的含义：“A”表示腺苷；“T”表示3个；“P”表示磷酸；“～”表示高能磷酸键；接着利用写有各符号的纸片搭建ATP结构简式的模型：A-P～P～P。

“结构和功能相适应”是生物学的基本观点之一。在教学过程中，教师要让学生明白要探讨ATP为何能作为细胞的能量通货，就要探讨ATP的结构特点。通过阅读思考，学生进一步了解到ATP的水解实际上是指ATP分子中高能磷酸键的水解。高能磷酸键水解时释放的能量多达30.54kJ/moL，所以说ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物。通过构建模型，学生可以把抽象的分子结构具体化，在构建模型过程中学生对ATP结构特点的掌握更加深刻。

此外，还可利用图1引导学生分析a（腺嘌呤）、b[腺苷（腺嘌呤+核糖）]、c[腺嘌呤核糖核苷酸（腺嘌呤+核糖+磷酸）]、d[ADP（腺嘌呤+核糖+2分子磷酸]、e[ATP（腺嘌呤+核糖+3分子磷酸）]的关系，从而实现对学生的思维拓展。

三、 利用矛盾冲突，于演绎推理中发展学生的科学思维

【质疑1】ATP是直接能源物质，那么它在生物体内的含量是不是需要有很多，才能满足各项生命活动的能量需要？当机体需要能量时，ATP如何供能？

【资料论证1】在人体安静状态时，肌肉内的ATP含量只能提供肌肉收缩1～2s所需的能量；在人体剧烈运动状态下，每分钟约有0.5kg的ATP分解释放能量；一个成年人在安静的状态下，24小时内有40kg的ATP被水解。

根据资料分析，ATP在体内含量很少，消耗量大。ATP的化学性质不稳定。在有关酶的催化作用下，ATP分子中远离A的那个高能磷酸键很容易水解，于是远离A的那个P就脱离开来，形成游离的Pi（磷酸），同时释放出大量的能量。

【质疑2】ATP在细胞中含量很少，如何满足各项生命活动的能量需求呢？

【资料论证2】在某细胞培养液中加入32P标记的磷酸分子，短时间内分离出细胞的ATP，发现其含量变化不大，但部分ATP的末端P已带上放射性标记。

在有关酶的催化作用下，ATP水解产生能量，转化成ADP；而ADP可以接受能量与一个游离的Pi结合，重新形成ATP，即ATP与ADP可以相互转化。

【质疑3】ATP与ADP可以相互转化，那么ATP与ADP的转化是可逆反应吗？

【论证3】可逆反应是指在同一条件下，既能向正反应方向进行，又能向逆反应方向进行的反应。学生根据分析可知，该转化过程不是可逆反应，原因一：作用的酶不同；原因二：能量不可逆。合成ATP的能量主要来自细胞呼吸作用时有机物分解所释放的能量以及光合作用时利用的光能；ATP水解产生的能量则直接用于肌细胞收缩、大脑思考等各项生命活动。

在教学过程中，教师应鼓励学生质疑，培养学生的问题意识，并激发学生探索问题的欲望。当学习出现矛盾时，应鼓励学生抓住矛盾的关键点，寻求实证，解决矛盾，让思维更加严谨。

四、利用课堂练习，于图文转化中发展学生的科学思维

【例題】人的骨骼肌细胞中ATP的含量只能维持剧烈运动3 s以内的能量供应。某运动员参加短跑比赛过程中，肌肉细胞中ATP的相对含量随时间的变化如图2所示。请据图回答下面的问题：

① a→b过程中，ATP被水解，释放的能量用于————————————————。

② b→c过程中，ATP含量增加，说明————————加强，释放更多的能量，供ADP合成ATP，补充消耗的ATP。

③ 从整个曲线看，肌细胞中ATP的含量不会降为零，说明——————————。

本道例题考查的是“ATP和ADP相互转化”的内容。学生必须先识图：图中表示的是ATP相对含量的变化，其中，ab段，ATP的含量逐渐下降；bc段，ATP的含量逐渐上升，而后达到稳定状态。再根据本节所学的内容，可以得出答案：①ATP水解过程，能量用于肌肉收缩等生命活动；②ATP含量增加是通过细胞呼吸迅速由ADP转化而成；③ATP在细胞内含量虽少，但与ADP的相互转化却十分迅速，使细胞内ATP的含量总是处于动态平衡中，构成生物体内部的稳定供能环境。课堂上通过练习，以不同的形式呈现教材内容，可以培养学生思维的灵活性。

综上可知，发展学生的科学思维是高中生物课堂教学的重要任务之一。作为高中生物教师，应想方设法设计不同的教学策略来发展学生的科学思维。

（责任编辑 黄春香）