指向核心素养的“深度学习”教学实践—以“细胞的能量通货一ATP”为例
深度学习也被称为深层学习，最初是由美国学者伦斯・马顿(FetenceMarton)和罗杰・萨尔乔 (Roger Saljo)提出的，是一种基于理解的学习。对学生而言，不是指待学内容的难度和深度，而是对知识的深度理解、主动加工、自我评判和不断反思，并以对真实情境中问题的解决为目标，去促进高阶思维的发展。学生在把握学科核心知识的过程中，以挑战性和创造性的内容为主题，整合已有的知识内容，全身心投入，感受喜悦，收获成功的学习过程。学生能够理解知识的内涵及掌握科学的思维方法，形成有效的学习动机、积极的社会情感和正确的价值观，成为具有合作意识、创造性、批判性、 基本功扎实的优秀学习者，成为未来社会发展的主人。本文以人教版必修1教材中“细胞的能量通货一ATP”为例，围绕“本质与延伸”“活动与体验”“联想与应用”“迁移与评价”这四个深度学习的特征，论述深度学习中如何培养学生的生物学学科核心素养。
1 在本质与延伸中培养生命观念
“本质与延伸”是深度学习的属性特征，回答的是对学习的内容如何处理，要求学生能够把握知识之间的内部关联。对教学的内容，要求学生能够抓住本质属性，对知识点不是孤立地掌握，对事实性知识也不是仅停留在记忆层面，而是对学习的对象通过“探究” “质疑”“正推” “反推” “演绎”和“拓展”，提升深度加工的能力与意识。在对知识内化的基础上，通过情景体验和对知识的延展，能够在学生的已知和未知之间搭建支架，努力使学习的结果外显化，让教与学的活动服务于将来的社会实践。
教师呈现资料：ATP在生物体内浓度很低，人剧烈运动过程中，每分钟消耗的能量约为0.5 kg的 ATP分解释放的能量。正常休息状态下，人体肌肉 内的ATP含量只能供肌肉收缩1 ~2 s，而每天消耗和生成的ATP达40 kg。引导学生分析得出：ATP在细胞中转化快但含量少，说明ATP与ADP的相互转化为机体的生命活动提供了用之不竭的能源物质，其物质的变化往往伴随着能量的变化。接着提问：ATP供能在物质上如何变化？为什么高能磷酸键易断裂？笔者把磷酸和磷酸之间的高能磷酸键比喻为“弹簧”，磷酸基团理解成磁铁的两个正极，由于同性相斥，相同极性的两端不易靠近，断裂时释放的能量会更多。接着从ATP的结构模型出发，如果ATP中的两个高能磷酸键全部水解，水解后的产物是AMP，引导学生进一步理解AMP是RNA的基本单位之一，形成科学的物质与能量观。开放的生命系统时刻发生着物质的变化和能量的转换，但多数情况下能维持相对稳定，由此引出下一个问题：ATP在细胞中如何维持相对稳定？学生讨论后，通过视频展示第一种机制是机体中能量储存的另外一种形式——磷酸肌酸。当消耗ATP 时，ADP就随之增加，磷酸肌酸在肌酸激酶的作用下把“ ~P”转移给ADP再生成ATP，为生物体的各项生命活动提供能量。接受ATP中“ ~P”的肌酸重新形成磷酸肌酸，完成能量的储存。第二种机制是当剧烈运动等消耗ATP过多时，会导致ADP的大量积累，这时腺苷酸激酶催化2分子的ADP形成1分子的AMP和1分子的ATP,此过程中AMP 也会在腺苷酸激酶的作用下接受“ ~P”形成ADP。此时有学生提岀：ATP的水解和ATP的生成是可逆反应吗？笔者把问题顺势抛给学生:你认为其符合可逆反应的条件吗？比如反应的条件相同吗? 能量的来源和去路相同吗？学生立刻就能领会。通过对ATP这种维持稳定机制的学习，学生形成科学的稳态与平衡观。
“活动与体验”是深度学习的核心特征。这里的活动不是简单的肢体活动，而是学生之间的合作互助，任务完成过程中彼此的信任，对问题讨论的相互启迪，学生全身心投入，参与对知识的体验、发现、探索、认知和形成过程，让学生真正成为教学活动的主人。在“活动与体验”中深度学习是鲜活 的、有温度的活动，在活动中能有效培养学生的科学思维。
笔者给各小组提供一个透明袋，内含不同颜色 的带软磁铁的塑料片：磷酸5个、腺瞟呤3个、核糖 2个、脱氧核糖1个，细铁丝若干，让学生自己动手 制作ATP的结构模型、RNA与DNA的基本组成单位模型。用细铁丝作为连接的化学键，把细铁丝弯曲折叠成螺旋状代表“高能磷酸键”，然后请每组推荐一个代表在讲台上展示本小组构建的3个模型。再让不同小组的学生两两比较这3个模型，用 ATP的结构模型引导学生观察教材P. 88上ATP 的结构式，启发学生用已学的化学知识思考：ATP 中核糖和磷酸之间的氧原子究竟是核糖的还是磷酸的？高能磷酸键中“键”本身含有很高的能量， 还是高能磷酸键断裂形成新的化学键时释放出大量能量？让学生自己去发现ATP中的“A”、DNA 链中的“A”以及RNA链中的“A”有何区别，通过小组讨论明确“A”的本质。有学生提出，既然ATP 中的A是由核糖和腺嘌呤构成的，那能不能把腺嘌呤换成鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)甚至尿嘌呤(U)呢？也就是说，会出现GTP，TTP，CTP，UTP吗？在动手体验中，学生的思维彻底被打开，教师及时评价学生的提问，并给他们的积极思维 “点赞”，明确细胞中能量的直接供应者最常见的、 最主要的是ATP，其他的核苷三磷酸会根据机体自身的调节，在不同的反应中参与能量的传递。通过对问题的分析，促进了学生深层次的思考和对问题属性的探究，在基于事实推理的基础上培养了学生的科学思维素养。
3 在联想与应用中感悟科学探究
“联想与应用”是深度学习的基本特征，学生往往会调动以前的知识和经验来促进对新知识的内化和学习，并把已有的知识和现学的知识想办法建立起联系，系统化、结构化、体系化自身的知识。学生对知识的学习不再是孤立的，而是能够把知识运用到具体的情境中，以融会贯通的方式对所学习和研究的对象进行有机拆分和整合，激发学生理解、思考和应用知识的能力，丰富和完善科学的探究和推理能力。
在未学习ATP相关内容时，学生已经知道C6H12O6 是维持细胞生命活动的主要能源物质，通过氧化分解为生命活动供能；糖原是动物细胞的储能物质，淀粉是植物细胞的储能物质，光能是生物体生命活动最终的能量来源；脂肪是细胞中重要的储能物质，在糖类供能不足时可由脂肪氧化分解供能；在相同条件下，质量相同的糖类和脂肪被彻底氧化分解时，脂肪释放的能量更多。由此设问：ATP是一 种什么样的能源物质？它如何为细胞提供能量?如何设计实验来研究ATP的功能？教师展示实验材料:长约1 cm、宽约0. 5 cm的新鲜蛙腓肠肌（每个小组3个），生理盐水，质量分数为5%的葡萄糖溶液，ATP溶液，载玻片，坐标纸，玻璃分针，铜锌叉。根据教师所提供的实验材料，学生讨论实验方案。实验设计过程中，笔者引导学生注意单因子变量原则和对照性原则，在此基础上设置对照组和实验组。学生在组内讨论得出：要做3组实验且分别编号为A，B，C，3组均用玻璃分针挑取新鲜蛙腓肠 肌各一个，放在预先滴了两滴生理盐水的载玻片上，使肌肉呈线状，将载玻片放在坐标纸上，测量并记录肌肉的长度。要使得3组肌肉疲劳不能收缩, 可用铜锌叉间歇刺激肌肉。对刚丧失收缩功能的A组肌肉不做处理，B组滴加质量分数为5%的葡萄糖溶液1滴，C组加ATP溶液1滴，再分别用铜锌叉刺激肌肉3 ~4次，测量并记录肌肉长度。C 组测量结果为肌肉长度变短，A组和B组测量结果为肌肉长度无明显变化。通过上述实验，学生讨论分析得出：葡萄糖虽然是生命活动的主要能源物质，但不能直接引起肌肉收缩，而ATP可以直接引起肌肉收缩，即可以得出“ATP是肌肉收缩的直接能源物质”。学生通过动手探究，仔细观察，能够做到在“探”中“思”。在实验过程中还可提出以下问 题：为什么要把新鲜蛙腓肠肌置于生理盐水中？为什么实验过程先要用铜锌叉间歇刺激肌肉，直到3 组肌肉疲劳不能收缩为止？也有学生对ATP溶液缺乏直观印象，提出疑问：教师提供的ATP溶液是从细胞里面提取出来的吗？这时笔者向学生展示从医院购买的“三磷酸腺苷二钠注射液”或是“三磷酸腺苷二钠片”，让学生对抽象的ATP的认识变为直观的认识。上述实验中，学生通过分工协作， 运用科学的思维方法设计并进行实验,科学探究能力得到提升。
“迁移与评价”是深度学习的目标特征，就是学生能够把所学的知识转化为能力并对出现的新情境问题能够独立去解决，通过活动培养学生的综合实践能力和创新意识。“迁移”强调对学习结果的外显化，也是检验学习效果的有效途径，形成自主发展的核心素养；“评价”是质疑和评判所学的知识及其过程，进而让学生形成正确的价值观与自觉理性的精神。核心素养的形成是一个隐蔽而缓慢的过程,社会责任的培养是深度学习的最终目标。
本节教学中，笔者让各小组推荐代表扮演“生物专业人员”角色和“医生”的角色，其他成员扮演不同职业的人。由“生物专业人员”向大家介绍ATP的基本知识：ATP的结构，在自然界中ATP的主要来源，ATP的功能，ATP在细胞中扮演的关键角色；如果生物体中缺少ATP，那我们眼中的生物界将会呈现的景象等。由“医生”介绍ATP在医学上的应用:ATP作为一种药品，常用于辅助治疗脑溢血后遗症、肌肉萎缩、心肌炎等疾病，有改善患者新陈代谢状况和提供能量的作用，提醒大家平时注意休息和锻炼身体，多关爱自己和身边人的健康。通过模拟活动激发学生学习的兴趣，渗透着关爱生命、热爱生命的情感教育，学生对ATP理解更加科学、更加深入，增强了社会责任感。
深度学习需要教师明确定位自己的职责和肩负的重担，将教学内容进行加工和转化，并以教学材料的形式呈现，通过有关资料分析、对ATP结构的建模、设计青蛙腓肠肌的探究实验、角色扮演等方式，让学生主动去发现、分析和体验，把抽象的ATP形象化、直观化。利用有关资料和情境所包含的思想和情感，引导学生进行思考和体会，在延伸、 体验、应用、迁移、评价中让学生的学科核心素养不断得到提升，促使学生成为有积极的人生态度、有高级的社会情感和价值观正确的未来社会栋梁。
转自2019年第7期《中学生物教学》