基于CER模型的论证式教学在高中生物学课堂中的应用——以“细胞中的能量‘货币’ATP”为例.pdf

1322023 年/第 18 期/6 月基于 CER 模型的论证式教学在高中生物学课堂中的应用以“细胞中的能量 货币 ATP”为例余泉润，刘娴*，李娟（云南师范大学云南昆明650500）摘要论证式教学策略是当前国际科学教育领域的研究热点，将论证式教学应用于高中生物学课堂，能有效促进学生思维能力的提升。文章以“细胞中的能量 货币 ATP”为例，将 CER 论证模型贯穿于课堂教学，引导学生搜集证据、分析论证、得出主张。在建构生物学概念的基础上，培养学生严谨的科学态度，发展分析论证、归纳概括和质疑批判的科学思维。关键词CER 论证模型；高中生物学；论证式教学；科学思维中图分类号：G424文献标识码：ADOI:10.16400/ki.kjdk.2023.18.041Application of Argumentative Teaching Based on CER Model inHigh School Biology ClassroomTaking Energy Currency ATP in Cells as an ExampleYU Quanrun,LIU Xian,LI Juan(Yunnan Normal University,Kunming,Yunnan 650500)AbstractDemonstration teaching strategy is the current research hotspot in the field of international scienceeducation.It is applied to high school biology classrooms,which can effectively promote students thinking and ability.Taking the energy currency ATP in cells as an example,the CER demonstration model runs through classroomteaching,guiding students tocollect evidence,analyze and demonstrate,and obtain claims.Onthe basis of constructingthe concept of biological concepts,cultivate students rigorous scientific attitude,develop analysis,demonstration,summarizing,and questioning critical scientific thinking.KeywordsCER demonstration model;high school biology;demonstration teaching;scientific thinking普通高中生物学课程标准（2017 年版 2020 年修订）中要求：通过生物学课程的学习，帮助学生形成科学思维、科学探究和推理论证的习惯，运用已有的生物学知识、证据对生物学议题进行思考讨论并展开论证1。将论证式教学策略应用于高中生物课堂教学，不仅是培养学生逻辑思维的重要手段，更是落实核心素养的重要策略。1 论证式教学策略的内涵论证式教学策略是当前国内外科学教育领域关注的研究热点和新方向之一2。论证式教学的实质是将科学领域的论证过程引入课堂，从提供的资料中分析“证据”经过“推理”得到“主张”3，使学生经历科学家的论证过程，逐步构建科学概念并理解科学的本质，促进科学思维发展的教学策略4。本文旨在将 McNeil 的 CER 论证模型（见图 1,p133）运用于高中生物学“细胞中的能量 货币 ATP”的课堂教学中，探索论证式教学策略在高中生物学中的实际应用价值，对一线教师如何培养学生的科学思维具有借鉴意义。2“细胞的能量 货币 ATP”论证式教学策略2.1 教材分析人教版普通高中生物学必修 1 分子与细胞第 5 章包括 4 节内容，其中第 2 节细胞的能量“货币”ATP在教材1332023 年/第 18 期/6 月中处于关键地位，作为建构“细胞的生存需要能量和营养物质”大概念的重要概念。本节是以细胞中的有机物作为基础开展教学，要求学生能从 ATP 是一种高能磷酸化合物、ATP 与 ADP 可以相互转化和 ATP 的利用等方面解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质，进而形象地理解能量通过ATP在细胞内各种化学反应之间流通，并为细胞呼吸、光合作用等重要生理过程做铺垫。证据 Evidence证据 Evidence证据 Evidence主张 Claim推理 Reasoning图 1McNeil 的 CER 论证模型2.2 学情分析高一年级学生已经掌握了细胞中的有机物蛋白质、糖类、脂肪等，但不清楚哪种物质能为细胞的生命活动直接提供能量。该阶段学生具备一定的归纳概括和实验设计的能力，但对 ATP 和 ADP 这两种细胞内重要的化合物相对陌生、对 ATP 与 ADP 如何转化和 ATP 如何供能的抽象过程难以理解。2.3 教学目标通过探究ATP的化学组成和结构特点，运用结构与功能观，阐明 ATP 是驱动细胞生命活动的直接能源物质（生命观念）。通过资料分析和模型建构，归纳出 ATP 与 ADP 相互转化的过程，发展模型建构、归纳概括的科学思维（科学思维）。通过设计探究实验，说明ATP是细胞内的直接能源物质，掌握科学探究的基本思路和方法，提高团队合作能力和创新能力（科学探究）。通过开展新课题“ATP是不是兴奋剂？”的研究，培养学生积极运用生物学知识解决现实问题，并作出理性解释，增强社会责任感（社会责任）。2.4 教学过程2.4.1 创设情境，导入新课教师通过呈现诗人杜牧的古诗 秋夕，创设夜空中点点流萤的情景，并设疑：萤火虫发光的原因是什么？体内存在特殊发光物质吗？提供资料：萤火虫的尾部发光器中有荧光素和荧光素酶。荧光素接受能量后就被激活，在荧光素酶的催化作用下，激活的荧光素与氧发生化学反应，形成氧化荧光素并且发出荧光。设疑：荧光素接受的能量从哪来？学生思考并回答。由“萤火虫为什么会发光？”创设问题情景，对教材进行补充和拓展，激发学生的求知欲，引入新课。此外，学生既能感受中华传统文化之美，也能体会热爱自然和生命的情感。2.4.2 教学环节 1ATP 是细胞内的直接能源物质学生复习回顾细胞内提供能量的物质种类，教师追问：哪种物质能为萤火虫发光直接提供能量？安排学生以现有的实验材料设计实验方案，探究哪种物质是细胞内的直接能源物质，经过小组合作和教师指导后得到最终的实验方案（见表 1）。通过设计实验和分析现象，发现荧光素接受的能量来自 ATP，推理出 ATP 为萤火虫的发光直接提供能量，进而得到主张 ATP 是细胞内的直接能源物质。有助于学生掌握科学探究的基本思路和方法，提高演绎推理的科学思维和实验设计的科学探究能力（图 2）。表 1“探究哪种物质能为萤火虫发光直接提供能量”实验方案步骤编号ABCD1.取四支试管进行编号为 A、B、C、D2.在四支试管中分别加入等量的萤火虫捣碎的发光器和生理盐水3.待发光器熄灭时，立即实验。2ml 的葡萄糖溶液2ml的脂肪组织样液2ml 的 ATP溶液2ml 的蒸馏水4.黑暗处理，观察实验现象证据：探究哪种物质能为萤火虫发光接提供能量实验现象加入葡萄糖和脂肪的实验组没有荧光产生，加入ATP溶液的实验组有荧光产生。直主张：接能源物质ATP是细胞内的直推理直接提供能量：为萤火虫的发光ATP图 2“ATP 是细胞内的直接能源物质”论证过程2.4.3 教学环节 2ATP 是一种高能磷酸化合物教师提供ATP的结构式图片并设置问题串：ATP的中文名称？ATP 的元素组成？AMP、ADP 和 ATP 如何形成？ATP结构简式中的字母和符号分别代表什么？课程教学1342023 年/第 18 期/6 月引导学生探究 ATP 的结构。提供资料：代表特殊的化学键，这种化学键不稳定，并且具有较高的转移势能。以弹簧压缩的过程中积聚了弹性势能和不稳定而摇晃的特点类比推理特殊化学键含有较高的转移势能和不稳定的特点。通过图片将微观结构可视化、复杂过程直观化、问题串引领思维深度化，使学生深入理解 ATP 的分子结构。由ATP分子的结构式推理得出ATP的结构特点，再提供特殊化学键的资料，引导学生进行资料分析、合理推理出 ATP水解会释放出大量的能量，最终得出主张：ATP 是一种高能磷酸化合物，初步形成结构与功能观（图 3）。2.4.4 教学环节 3ATP 与 ADP 可以相互转化提供资料 1：研究显示，一个成年人一天在静止状态下所消耗的 ATP 约有 40kg；在剧烈运动的状态下，每分钟约有 0.5kg 的 ATP 转化成 ADP。成人体内的 ATP 总量约210mg，人体安静状态下，肌肉内 ATP 含量只能供肌肉收缩 12s。设疑：细胞中的 ATP 具有什么特点？学生推理后发现细胞内的 ATP 具有消耗量大和含量少的特点。提供资料 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。学生对资料分析推理后发现 ATP 中远离腺苷的特殊化学键断裂，释放能量。提问：细胞内只存在 ATP 的水解吗？提供资料 3：细胞内 ATP、ADP 的总量仅有 210mg，人体细胞每天的能量需要水解 200300mol的ATP，这意味着每个 ATP 分子每天要被重复利用 20003000 次。学生通过分析资料 3 并结合资料 2 能发现生物体内的细胞中进行 ATP 分解的同时也存在 ATP 合成。学生利用 ATP模型卡片合作建构 ATP 与 ADP 相互转化的模型后，教师进一步设疑：ATP 与 ADP 的相互转化是否是可逆反应？提供资料 4：可逆反应在同一条件下，既能向正方向进行，同时又能向逆方向进行的反应。教师设置任务：从物质、能量、酶的角度判断ATP与ADP的转化是否为可逆反应并总结出 ATP 水解与 ATP 合成区别的表格。学生经过合作学习完成填表任务后，进一步推理得出 ATP 与ADP 相互转化过程中“物质可逆，能量不可逆”的特点。学生首先对资料 1 的事实分析后发现细胞中的 ATP含量少消耗量大的特点，形成认知冲突，细胞如何解决这一矛盾？再通过资料 2 和资料 3 的证据推理得出细胞中进行 ATP 分解的同时也进行着 ATP 的合成，进一步产生问题：ATP 与 ADP 的相互转化是否是可逆反应？根据可逆反应的定义，小组合作归纳出 ATP 水解和 ATP 合成过程的区别表格。通过对四则资料中事实和证据的分析推理后，结合探究活动得出最终主张：ATP 与 ADP 在细胞内快速相互转化，保证细胞内持续的能量供应，解答开始产生的疑问“细胞如何解决 ATP 含量少但消耗量大的矛盾？”培养学生归纳概括、推理论证和批判性的科学思维，在此过程中学生的合作讨论与探究能力得到显著提升（图4，p135）。2.4.5 教学环节 4ATP 的利用教师展示 ATP 与 ADP 相互转化的示意图并提出问题：ATP合成所需要的能量从哪来？ATP水解释放的能量用于哪些生命活动？学生进行自主学习后归纳出 ATP 水解释放的能量用于主动运输、生物放电、肌肉收缩等生命活动，进一步概括出细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是由 ATP 直接提供能量。教师播放肌肉收缩过程的视频，将 ATP 参与细胞生命活动的过程可视化，引导学生深推理中含有三个磷酸基团；中含有两个磷酸基团；中含有一个磷酸基团。1ATPADPAMP：证据是由腺苷和磷酸基团组成的化合物。1ATP：证据中两个相邻磷酸都带负电相互排斥等原因，使得特殊化学键不稳定，末端磷酸基团有一种离开与其他分子结合的趋势，具有较高的转移势能。2ATPATP：推理中含有的特殊化学键不稳定，在水解酶的作用下，末端的磷酸基团脱落，释放大量的能量。2ATPATP：主张：是一种高能磷酸化合物ATP图 3“ATP 是一种高能磷酸化合物”论证过程1352023 年/第 18 期/6 月入理解 ATP 在细胞内如何利用。通过图片和视频的形式呈现细胞中正在发生的生命活动和生命现象，引导学生逐步推理分析，发现细胞中绝大多数生命活动都是由ATP直接提供能量，进一步论证主张：ATP 是驱动细胞生命活动的直接能源物质（图 5）。证 据水解 释放 的能 量用于主动运输、生物放电、生物发光、肌肉收缩、细胞内各项吸能反应、大脑思考等。证据缩过程中如何利用视频。1ATP2ATP：肌肉收的主 张：是驱动 细 胞 生命活动的直接能源物质ATP推理：细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是由直接提供能量ATP图 5“ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”论证过程学生产生问题：ATP为细胞生命活动直接提供能量的过程中会发生什么变化？教师播放Ca2+主动运输过程的视频，引导学生归纳出ATP是通过使分子磷酸化因而参与各种化学反应。进一步提问：细胞内的化学反应可以分成哪几类？不同类型具有什么特点？学生经过讨论后将细胞内的化学反应分为吸能反应和放能反应两种类型，并列举细胞内典型的吸能反应和放能反应，进一步归纳得出吸能反应需要吸收能量、放能反应能够释放能量的特点。再结合 ATP 水解和 ATP 合成过程推理后得出放能反应释放的能量用于 ATP 合成，吸能反应由 ATP 水解提供能量。综合两则证据的推论最终得出能量通过 ATP 分子在吸能反应和放能反应之间流通，层层深入，逐步论证，最终得出主张：ATP 是细胞内流通的能量“货币”（图 6）。推理水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化，导致空间结构发生变化，活性也被改变，因而可以参加各种化学反应。1ATP:证据主动运输中如供能的视频1CaATP:2+证据细胞内的化学反应可以分为吸能反应和放能反应两大类，吸能反应需要吸收能量，放能反应会释放能量。2：推理过分子在吸能反应和放能反应之间流通2ATP:能量通主张：是细胞内流通的能量“货币”ATP图 6“ATP 是细胞内流通的能量 货币”论证过程2.4.6 课后拓展巧妙运用类比，将细胞内的能源物质与资金类型进行类比，ATP 比作流通的“现金”，从而加深学生对 ATP 是能量“货币”的理解。通过开展新课题“运动员使用兴奋剂参加体育竞技比赛，导致个人成绩取消、面临终身禁赛的处罚，甚至影响国家在国际竞赛中的声誉、有损国家形象。作为细胞中的直接能源物质 ATP 是不是兴奋剂？”的探究，课程教学证据：一个成年人一天在静止状态下所消耗的约有在剧烈运动的状态下，每分钟约有的转化成。成人体内总量约人体安静状态下，肌肉内含量只能供肌肉收缩1ATP40kg0.5kgATPADPATP2-10mgATP1-2s；。，证据：在某细胞培养液中加入标记的磷酸分子，短时间内分离出细胞的发现其含量变化不大，但部分的末端 已带上放射性标记。2ATPATPP，主 张：与可 以 快 速相 互 转 化，不会在体内大量储存而导致浪费，保证了细胞内持续的能量供应。ATPADPATP证据：人体细胞每天的能量需要水解摩尔的，这意味着每个分 子 每 天 要 被 重 复 利 用3200-300ATPATP2000-3000次证据：可逆反应是指在同一条件下，既能向正方向进行，同时又能向逆方向进行的反应。4推理：细胞内的具有消耗量大和含量少的特点1ATP推理：远离腺苷的特殊化学键断裂会释放能量2ATP中推理：细胞中进行分解的同时也存在着的合成3ATPATP推理：与的相互转化中物质可逆、能量不可逆4ATPADPP32图 4“ATP 与 ADP 可以相互转化”论证过程1362023 年/第 18 期/6 月培养学生的社会责任，促进学生积极运用生物学的知识针对现实问题作出理性解释，参与讨论后理解体育竞技的规则需要个人、相关组织和各个国家的坚守，才能净化竞技体育的环境，使其回归本质，健康发展。从而渗透科学观念和立德树人的课程思政本质，落实教育的育人功能和生物学科的核心素养，提高学生的爱国意识和政治认同，树立正确的国家观、民族观和价值观。“细胞中的能量 货币 ATP”这一课题分为四个教学环节，每一环节都采用 CER 论证模型，经过产生问题提供证据推理论证得出主张的过程，开展论证式教学，层层深入，逐步分析。通过不断提供事实和证据，引导学生进行深度学习，前一个主张为后一个主张做铺垫，整个教学过程环环相扣、思维清晰、逻辑严密，提升了学生的科学思维、科学素养和科学探究能力（图 7）。3 论证式教学的反思将 CER 论证模型应用于高中生物学课堂，通过提供丰富的事实证据和设置富有逻辑性的问题串，以问题为导向，驱动学生围绕资料寻找证据进行推理，最终得出主张。整个教学过程脉络清晰、逻辑严明，逐步推理后最终建构出紧密围绕核心概念的论证模型，以此突出教学重点、突破教学难点、顺利达到教学目标，落实生物学学科核心素养。论证式教学是一种新型的教学策略，教师首先应该围绕核心概念，课前搜集相关的生物学事实、实验和科学史作为论证的资料，引导学生通过论证逐步建构生物学概念体系。其次，要让学生经历论证的过程，体会科学理论不是一蹴而就的，是不断发展和完善的，培养严谨的科学态度，发展分析论证、归纳概括、质疑批判的科学思维。最后，需要引导学生将新概念迁移到新情景下解决新问题，通过开展新课题的研究，不仅能够培养学生的探究意识和探究精神，还能发展学生灵活运用知识的能力，培养新时代所需要的创新型人才。*通讯作者：刘娴参考文献1中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准:2017 年版2020 年修订M.北京:人民教育出版社,2018.2何嘉媛,刘恩山.论证式教学策略的发展及其在理科教学中的作用J.生物学通报,2012,47(5):31-34.3杨坚,郑兆炯.“基因突变”的论证式教学研究J.中学生物教学,2020(3):4-6.4王星乔,米广春.论证式教学:科学探究教学的新图景J.中国教育学刊,2010(10):50-52.P32主张1ATP：是细胞内的直接能源物质主张2：是一种高能磷酸化合物ATP主张3ATPADP：与可以相互转化主张4ATP：是驱动细胞生命活动的直接能源物质主张5ATP是细胞内流通的能量“货币”：论据：探究哪种物质能为萤火虫发光直接提供能量实验论据：ATP是由腺苷和磷酸基团组成的化合物；ATP中的特殊化学键断裂，末端的磷酸基团脱落，释放大量的能量论据：成年人一天在静止状态和剧烈运动状态下体内ATP含量的变化情况；在某细胞培养液中加入标记的磷酸分子的实验；人体细胞每天需要ATP的情况；可逆反应论据：ATP水解释放的能量用途的图片资料；肌肉收缩过程中如何利用ATP的视频论据：CaATP2+主动运输中如供能的视频；细胞内的化学反应可以分为吸能反应和放能反应两大类图 7“细胞中的能量 货币 ATP”的 CER 论证总模型