例谈ATDE模式在生物学实验教学中的运用

  摘 要 简要介绍ATDE教学模式的要点, 以“酶的作用”一节课为例,探讨了ATDE教学模式在中学生物实验教学中的应用策略,最后针对问、想、做、评各环节尚存的有关问题,提出了建议性的解决策略。
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  关键词 ATDE模式 实验教学 创新思维
  中图分类号 G633.91 文献标识码 B
  目前中学生物学实验教学普遍采用“照方抓药”注入式教学模式,学生按教材中实验步骤被动操作,技能训练与思维能力培养分离现象严重,片面强调“三基”目标,忽视生物科学素养的培养,为了改变这一现状,笔者申请了《高中生物实验教学ATDE模式研究》课题(江苏省教育科学“十二五”规划课题),尝试采用ATDE模式进行生物学实验教学。下面以“酶的作用”这节课为例,探讨ATDE教学模式在中学生物实验教学中的应用策略。之所以选“酶的作用”这节课,是因为江苏省高中生物评优课选了这节课,而笔者作为评委认真观摩了13位选手的公开课。
  1 ATDE教学模式
  ATDE教学模式是由问(Asking)、想(Thinking)、 做(Doing)、评(Evaluation)四要素构成,即教师通过有机整合具有系统性与关联性的课程内容,采用启发式、探究式教学方式,循序渐进地推进教学活动,强调在学生原有的知识和经验基础上,通过“问”、“想”、“做”、“评”四步训练,以最大限度激发学生的想象力、敏锐力、流畅力、变通力、独创力,培养学生的创造性思维能力。ATDE教学模式如图1所示。
  该模式可以解释为:① 问:创设情境、启发引导、精心设问。学生只有对学习活动持探究和质疑的态度,才会使自己的思维活动处于积极、活跃的状态,思维也才能具有创造性。② 想:通过联想训练,培养创造性思维能力,以寻求创意。联想虽然并不能直接产生有创新价值的新形象,但它却为能够产生新形象的想象思维活动提供一定的基础,通过自由想象可设计各种解决问题的方案。③ 做:通过实际操作训练,让学生在学中做,做中学,做中议,议中醒,从实验活动寻求解决问题的方法,培养创造性思维能力。④ 评:通过师生共同制定评价标准,选取最适当的答案,共同评价,完善思维与实践活动。
  为什么要设计这样四个环节呢,那是因为在课堂教学中教师讲得太多,而在实验课上则相反,教师引导太少,让学生按实验指导上的实验操作步骤一步步做,然后布置作业就下课。在实验课上,教师不能放任学生按实验指导步骤操作,而自己无所事事。教师备课,最需要考虑学生学习这个实验最大的难点是什么,学生做这个实验最容易患的错误是什么,然后按照这个逻辑去设置教学情景、实验中提什么问题、什么时候提、什么时候做、做了要解决什么问题,如何评价,从而就有了用ATDE教学模式来指导实验教学。这时教师并不是学科知识的化身,也不是学科知识的传声筒;而是学生知识学习困惑的疏导者,学生知识应用难题的帮助者。
  2 “酶的作用”一节教材分析
  “酶的作用和本质”是高中生物必修一第五章第一节“降低化学反应活化能的酶”第一部分内容。在必修一第二章第二节“生命活动的主要承担着――蛋白质”这一节关于蛋白质的功能中提到:“细胞内的化学反应离不开酶的催化作用,绝大多数酶是蛋白质”,这为过渡到本节内容的学习做了很好的铺垫。细胞中每时每刻都进行着许多化学反应,统称为细胞代谢,它离不开酶的催化。“酶的作用”是第一课时的内容,将是理解呼吸作用、光合作用等知识的基础。本节从细胞代谢的概念入手,通过分析“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验,让学生进行控制变量的科学方法的学习,学习控制变量法,不仅有方法论意义,而且在科学研究中有着广泛的应用价值,最后分析酶在细胞代谢中发挥催化作用的机理。
  3 运用“ATDE教学模式”进行“酶的作用”一节课教学
  (1) 问:在导入新课、新授课、课堂复习等阶段,都需要创设情境、启发引导、精心设问。
  教材以斯帕兰札尼的实验导入新课,然后提出三个问题。这是一个非常巧妙的实验设计,如果在使用这套新教材前,能有教师用这个实验导入新课,这一定是设计上的大亮点。但在省评优课中,13位选手都没有采用这个实验导入新课,可能是因为这个实验对学生来说是新颖的,但对评委来说没有新鲜感,因此从想要获奖的角度来备课,教师们想了新的导入方式,但共同点是大都通过实验提出问题。
  导入新课的设问既要与学生的生活或经验相联系,又要与后面的新课学习相关联。如教材中的导入设置的情景是:将肉块放入小巧的金属笼内,然后让鹰把小笼子吞下去;过一段时间后,把小笼子取出来,发现笼内的肉块消失了。这个实验现象与学生原有的知识与生活经验是紧密相联的,那就是学生知道鹰的胃能消化食物,从而提出第一个问题:这个实验要解决什么问题?(要解决的问题是,鹰的胃是否只具有物理性消化,没有化学性消化功能)接下来第2个问题:就与要新学习的内容――酶相关,请学生推测,是什么物质使肉块消失了?(是胃内的化学物质消化酶将肉块分解了)第3个问题:怎样才能证明你的推测?(要求学生有基本的逻辑推理能力与实验设计能力,如果第2个推测正确,那取一点胃内的物质即胃内的消化液,在体外也应该能将肉块分解掉。)由此可以看到,导入新课设置的情景要与学生的生活相关联,以学生的知识经验为基础,设置的问题要与新授课内容相关联,要能促进学生积极思维。
  省评优课上选手们是怎样导入新课的。南通高红梅老师是这样导入的:播放用双氧水清洗伤口的视频,教师问“用双氧水清洗伤口的时候看到什么现象?”学生回答“看到伤口上冒泡沫”。教师追问:“是什么原因冒泡沫?”学生回答可能是伤口细胞被破坏后释放的化学物质或伤口上的微生物使过氧化氢分解产生气体从而产生泡沫。那究竟是伤口处的细胞,还是微生物引起的呢?伤口与周围正常皮肤在同样的环境中,上面的微生物基本相同,在周围正常的皮肤上滴加同样的过氧化氢,如果正常皮肤上没有泡沫出现,只有伤口上出现泡沫,说明是伤口的细胞释放了促进过氧化氢分解的化学物质,过氧化氢分解产生气体,从而出现泡沫。教师指出过氧化氢是一种强氧化剂,适用于伤口消毒和食品消毒。也就是说过氧化氢能杀死微生物,对微生物是有害的,实际上过氧化氢对于人体正常的细胞也是有害的,然而,代谢过程中细胞又确实会产生过氧化氢这样的有害物质,那细胞如何解除它的毒性呢?这要靠细胞内的化学物质――酶,把过氧化氢分解,由于这种酶能分解过氧化氢,就被称为过氧化氢酶。生物体内不同的化学反应需要不同的酶来催化。只要人们还活着,酶催化的化学反应就不停地进行着,如在核糖体内进行的缩合反应需要酶的催化,细胞呼吸、光合作用也是由一系列酶催化的复杂的化学反应组成的,酶催化的化学反应有许许多多,每时每刻都在进行,把细胞中每时每刻都进行着的许多化学反应,统称细胞代谢。细胞代谢是细胞生命活动的基础。这样就导入了新课。   这种导入方法,教学的起点定得比较准确,学生容易接受。教师要教给学生学科知识,但如果一开始上课就讲学科知识,学生会认为你是一个学究,而不是一位老师,因为你的眼里只有学科知识,而丰富多彩的日常生活却被你拒之眼外。因此,课堂教学的起点一定要与学生的生产生活实践、学生的感受紧密相连,如果教师对学生的生活感受置之不理,他也会同样对课堂教学置若罔闻;课堂教学一定是从课外知识到课内知识,而不是从课内知识到课内知识,如果你讲的课内知识在课外找不到证据,或者找不到相关的事实,后面的课内知识也会在学生的大脑中成为无根之木。不仅在导入新课时需要设问,在新授课中也需要创设情景,精心设问,并且与“想”、“做”结合在一起。
  (2) 想与做:“想”是ATDE教学模式中的第二个环节,教师提出问题后,鼓励学生自由联想、发散思维、广泛进行类比和联系,并给予学生思维的时间, 以寻求解决问题的方法。如果是针对具体的实验, 教师则要引导学生根据实验目的和实验原理,结合相关知识,进行类比和联想,选取合适的材料,设计出合理的实验步骤,并预测实验结果。“做”是ATDE教学模式中的第三个环节,那就是学生根据第二步想所做出的实验设计,利用教师提供仪器设备、试剂材料,边做边想,在做的过程中学习,最后根据实验结果,验证或否定原来的假设。新授课正是在问、想、做的过程中不断地推进,学生的认识则得到不断地深化。
  仍以“酶的作用”一节课为例,教材上设计了比较过氧化氢在不同条件下的分解速率的一组实验,具体内容是:取四支试管,都加入2 mL3%的过氧化氢溶液,3号与4号试管置于常温下,3号加入2滴FeCl3也就是无机催化剂,4号加入2滴肝脏研磨液(即加入生物催化剂酶),1号和2号都加入2滴清水,但1号放置在常温下,2号放置在高温90℃条件下。教师通过这一组实验让学生学习分析自变量、因变量、无关变量以及如何控制变量。在省评优课中,笔者发现大多数老师就引导学生按照这个表格的思路来引导学生讨论并设计实验,相比之下,不如把一个大实验分解成3个小实验那样思路清晰。
  第一个小实验:设计实验证明过氧化氢酶对过氧化氢有分解作用。
  问:书上说,酶是生物催化剂,能催化生化反应的进行。酶真的能催化生化反应吗?请你以过氧化氢酶为例,利用实验桌上的仪器与试剂,设计实验证明过氧化氢酶对过氧化氢有分解作用。
  想:过氧化氢溶液中不加过氧化氢酶就不分解,加了过氧化氢酶就分解了,这样就能证明过氧化氢酶对过氧化氢有分解作用。
  问:你如何知道过氧化氢分解了?
  想:有两种方法,一是看是否冒气泡,二是通过带火星的卫生香是否变得更加明亮或是否燃烧来检测是否有氧气释放。
  做:学生进行实验操作,过程很简单,现象也很明显。
  设计这样一个简单的验证实验是要引导学生学习控制变量的相关内容:自变量、因变量、无关变量。所谓变量就是实验中可以变化的因素。教师引导学生分析这个实验中有哪些变量,接着指出:人为改变的变量叫做自变量。这个实验中,自变量就是加没加过氧化氢酶,或滴加的试剂含不含有过氧化氢酶。而随着自变量的变化而变化的变量叫因变量,这个实验中因变量就是过氧化氢有没有分解,观察的指标是有没有气泡,或用带火星的卫生香能否燃烧。实验过程中除自变量外,可能还存在的对实验结果造成影响的变量称无关变量。这个实验中过氧化氢的浓度、过氧化氢的量都可能对最终氧气的释放量有影响,都是无关变量。
  教师问:如何排除无关变量对实验的影响呢?那就要做对照试验,除了自变量外,其余因素都保持不变,所进行的一组实验。如,加过氧化氢酶的2号试管是实验组,不加过氧化氢酶的1号试管就是对照组,对照组中除了没有酶,其他所有无关变量都保持不变,如底物的浓度、底物的数量、反应的温度等,都相同。有了这一个简单的实验设计作铺垫,学生就比较容易理解了自变量、因变量、无关变量以及如何设计对照实验。
  第二个小实验:设计实验比较无机催化剂与酶的催化效率。
  问:初中化学学过,H2O2能被FeCl3这样的无机催化剂催化分解,根据下列材料用具设计实验,比较过氧化氢酶与无机催化剂(FeCl3)催化效率的高低。材料用具:新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液、新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液、3.5%FeCl3溶液、刻度试管、吸管、卫生香等。
  想:在相同体积相同浓度都是2 mL的3%的过氧化氢溶液中,一个滴加2滴FeCl3,一个滴加2滴肝脏研磨液,看哪个释放的氧气多。
  教师引导学生进一步理解自变量、因变量、无关变量和对照实验,并让学生对这样的实验设计进行评价:“实验方案是否已经非常完善”。这涉及到ATDE第四个环节――“评”,下面再分析。
  第三个小实验:设计实验,探究高温对过氧化氢分解有什么影响。
  有一位教师是这样过渡到第三个实验设计上的。他说:同学们请看,这是装过氧化氢的瓶子,看一下标签上的说明,保存过氧化氢的环境温度有什么要求?教师出示过氧化氢的瓶子,请学生看标签上的保存注意事项:保存温度不要超过20℃。教师提出:根据保存注意事项,推测提高温度对过氧化氢的分解有影响,下面请同学们设计实验,探究高温对过氧化氢分解有什么影响?材料用具有:3%过氧化氢、热水、大烧杯、试管等。取两支试管,各加入2 mL3%的过氧化氢溶液,1号试管放在常温下,2号试管放在90℃的水浴中加热。实验的自变量是反应的温度不同,因变量是过氧化氢的分解情况,观察指标是产生的气泡量。然后学生做实验。实验结果是:常温下产生气泡不明显或者说基本上不产生气泡;90℃高温下,有少量气泡。实验说明加热能促进过氧化氢的分解。
  为什么加热能促进化学反应呢?这就过渡到了对机理的理解上。一个化学反应体系中,反应物分子的平均能量水平较低,为常态,反应物中有一部分分子具有了比常态更高的能量,到了能发生化学反应的状态,称为活跃状态。活跃状态与常态之间的能量差值称为活化能,处于活跃状态的反应物能发生反应。加热的作用是使一部分反应物分子能量提高,达到了活跃状态,从而发生了反应。这是加热促进化学反应的机理。接下来教师播放动画:常态时,反应体系中达到活跃状态的分子数极少;加热时,提高了反应物的能量,一部分分子达到活跃状态,但总体上数量不多(所以过氧化氢有少量分解,有少量气泡产生)。而加催化剂,不管是无机催化剂还是酶,都没有提高反应物分子的能量,为什么能催化反应的进行呢?那是因为催化剂能够降低反应的活化能。   教师播放动画:在使用无机催化剂时,降低活化能后,反应体系中原来能量较高的分子,如果达到活跃状态,就能反应;而酶催化生化反应时,能显著降低反应的活动能。反应体系中能达到活跃状态的分子就更多了,所以它的催化效率更高。
  教师强调,催化剂的一个作用特点是:催化剂能加快化学反应的速率,缩短达到平衡的时间,但不改变平衡点。同时提出一个问题:在下面的坐标系中绘出加入无机催化剂和酶后,反应速率的变化曲线(注:已画出未加酶的曲线,要求学生绘出加入无机催化剂和加入酶后的变化曲线,见图2)。学生思考,小组讨论、交流,然后画出图(也是“做”的过程),师生共评,可见问、想、做、评四个环节在整节课不断地进行。
  为什么把原来一个大的复杂实验分成3个?为什么把加热对过氧化氢分解影响的实验放在最后讲呢?因为通过设计实验证明过氧化氢酶对过氧化氢有分解作用,让学生理解自变量、因变量、无关变量的概念,了解如何设计对照实验;通过设计实验比较无机催化剂与酶的催化效率,进一步强化对于自变量、因变量、无关变量以及对控制变量的认识。而把加热对反应的影响放在最后讲,是想通过常温与高温这一组对照实验,过渡到酶作用机理这一难点内容的学习上。
  (3) 评:评是ATDE教学模式中的第四个环节,师生共同分析实验结果,评鉴、修正、完善实验方案, 并分析出最合理的实验设计方案,如果可能按这个方案再做一次实验。如,在上面的比较酶与无机催化剂的催化效率实验中,实验方案还可以再优化,起码可以想到增加空白对照实验。此外“评”也应包括教师对学生课堂表现的综合评价,在此过程中,教师应避免将自己的目光局限在“学生能否获得与预期一致的结果”这一硬性指标上,而应该以“学生能否运用已有知识圆满地解释实验中的意外现象、能否提出科学的、创造性的方案去验证自身设想的正确性”作为评判的重要标准,力争从多个视角、不同的层面去审视每一位学生,敏锐地发现学生思维的闪光点、努力地挖掘学生的创新潜力,充分体现学生的个性。
  4 四点反思
  (1) “问”要围绕教学目标形式多样。导入时“问”的起点不必过高,如这节课中双氧水处理伤口时为什么出现泡沫。新授课时,“问”要围绕目标层层推进,最好有内在逻辑关系,如这节课中的三个实验设计以及画出无机催化剂与酶的作用机理曲线图。另外,教师还要注意问的时候要变换角度,形式多样,本课中针对三个实验设计的设问就显得有些单一,虽然有利于找到解决问题的途径,但也可能造成思维模式僵化,不利于创新思维。
  (2) “想”要体现问题的实质。如有的教师用图3所示的动画来解释催化剂作用机理,目的是促进学生去“想”,帮助学生去理解,设计思想很好,但有两点需要修改:① 达到活化状态的分子要体现出发生了反应,即在左面是一个球,到了右面建议变成两个小球,以示发生了反应;② 要体现分子数量,如图中(1)常温下,一个球示意反应底物,能量低,不能发生反应,这种表达方式容易让学生误解为所有分子都不能发生反应,而实际上是绝大多数反应底物能量低,不能发生反应,但也有极少数的底物的能量相对比较高,能发生反应,所以不能只画一个球;同样(2)中能到达右侧球的数量增加,(3)中到达右侧的球更多,(4)中到达右侧的球比(3)还要多,比例上显著增加(但也不是100%),动画中都只画了一个球需要修改。
  (3) “做”要尽可能做出新意。如因变量的检测,即氧气的释放,教材上要求定性检测,能否定量检测?无锡杨旭老师带领学生设计了如图4所示的收集氧气的装置,可以定量测量出氧气的体积;还引导学生利用氧传感器,与计算机相连,现场定量测定,如图5所示,这些都有一些新意。
  (4) “评”要体现教师的专业素养。如,比较酶与无机催化剂的催化效率,实验设计方案是,1、2两支试管各加入2 mL3%的过氧化氢溶液,1号试管加入2滴FeCl3这样的无机催化剂,2号加入2滴肝脏研磨液,也就是加入生物催化剂――酶。教师在点评的时候说体现了等量原则。这里要注意的是,真正要等量是指Fe3+的数量与酶的分子数量相等,现在虽然催化剂都是两滴,表面上数量是相等了,但Fe3+的数量是酶分子数量的近25万倍,实际上并不等,在不等的前提下,而且是在无机催化剂要多得多的前提下,它催化释放的氧气量仍然比酶催化释放的氧气量要少得多。教师在评的时候,不能误导学生。
  参考文献
  [1] 陈龙安.创造性思维与教学[M].北京:中国轻工业出版社,2000.79.
  [2] 梁嘉声.浅议ATDE创造性思维教学模式在高中生物学教学中的应用[J].生物学通报,2013,48(2):42-44.
浏览次数:  更新时间:2015-09-03 08:08:19
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