《ATP的主要來源

馮漢茹　劉春光

[摘要]在《ATP的主要來源——細胞呼吸》一課中，充分挖掘教學素材，融入6幅改編圖片，豐富學生“自學”資源；結合問題設計遞進引導，通過“互學、領學”構建問題式課堂，解決了細胞呼吸核心概念，突破了有氧呼吸、無氧呼吸的學習難點，最后得出“ATP的主要來源是細胞呼吸”的結論。這樣設計教學，增強了課堂的任務性，提高了課堂的互動力。

[關鍵詞]ATP的主要來源；細胞呼吸；教學設計；反思

[中圖分類號]G633.91 [文獻標識碼]A [文章編號]1674-6058（2017）05-0117-03

一、教材分析

《ATP的主要來源——細胞呼吸》是人教版普通高中生物課程標準實驗教科書必修1第五章第三節的內容。細胞呼吸是細胞新陳代謝的基本內容之一，它涵蓋了胞內物質、能量代謝，緊密聯系了“酶”和“ATP”，指明了“光合作用”形成糖類的部分去向。本節課闡述了細胞呼吸、有氧呼吸、無氧呼吸、細胞呼吸原理應用4個板塊的內容，呈現了“有氧呼吸過程圖解”，補充實驗“探究酵母菌細胞呼吸的方式”，涉及較多概念性知識和過程性知識，要求學生能理解有氧呼吸、無氧呼吸的過程，能將細胞呼吸原理在生產和生活中進行應用。

二、教學設計思路

《ATP的主要來源——細胞呼吸》是對ATP主要來源的總體評價，這一評價需學生仔細思辨、反復理解才能認同。思辨可借助若干問題作為載體，問題可從充分挖掘教學素材而生。對此，筆者基于問題進行本課的教學設計，突出“問題”的層次性：學生“自學”時，能夠“發現問題”；“互學”時，希冀“解決問題”；“領學”時，圍繞“新生問題，提升認知”。如此，學習過程“以問題為核心不斷答疑、生疑、再答疑”，順道“解決問題”，最終形成細胞呼吸的具體過程、核心概念，得到“ATP的主要來源是細胞呼吸”的結論。

三、教學目標

（1）知識目標：簡述有氧呼吸和無氧呼吸過程；說出酵母菌細胞呼吸方式；說出細胞呼吸原理在生產和生活中的應用。

（2）能力目標：訓練學生從反應條件、物質變化、能量變化、摩爾數變化4個角度認識化學反應；嘗試培養學生尋找關鍵詞的能力；鍛煉學生提取信息、梳理信息、簡化文本、化文為圖的能力。

（3）情感目標：培養學生熱愛生活、積極思考、善于發現的能力，明白“知識從生活中來又服務于生活”的道理。

四、教學重點與難點

（1）說明有氧呼吸和無氧呼吸過程。

（2）認同ATP的主要來源是細胞呼吸。

五、教學過程

1.視頻導入

播放“發酵歷史”視頻，引導學生從視覺上初步了解以下內容：公元前6000年，古巴比倫人掌握“發酵釀造啤酒”技術；公元前4000年，埃及人學會了用“發酵法”制造面包；中國在殷商時期掌握了“釀酒”技術，在秦漢時期，學會了制醬，在周朝時期，學會了制醋。

播放完視頻后，教師提問：（1）視頻中反復出現了一個關鍵詞，請找出來。（2）怎么理解發酵？（3）在生活中，大家也會有意無意地接觸到發酵。如市場上售賣的安琪酵母（課件出示圖片）是用來發面的。發面后，面團松軟，為什么？面團偶有酸味，為什么？發酵與細胞呼吸之間有怎么樣的關系？

[學生學情]能指出視頻中的關鍵詞是“發酵”，知道面團松軟是因為產生了氣體，但不知道產生的氣體是什么及發酵是怎么一回事。

[教師補充]補充“發酵”在生活中的其他應用及點明“發酵”與呼吸作用的聯系：發酵是微生物的呼吸作用。

教師繼續追加問題，引發學生的“頭腦風暴”：取一部分發酵液，用乙醇和丙酮處理其中的酵母細胞，將它們殺死，發現處理后的發酵液仍然保持發酵能力，為什么？

學生紛紛進行思考，整個教室一片寂靜，此時教師不急于解釋，為后文發酵相關知識的拓展做好情境鋪墊。

2.學生自學，理解“細胞呼吸”核心概念

待學生的“頭腦風暴”過后，教師引導學生閱讀教材“細胞呼吸”相關板塊，尋找問題答案，之后再拋出兩組問題（多媒體投影），引導學生自學。

第1組問題：（1）找出細胞呼吸概念的關鍵詞，它們在一個化學反應式中各自對應的意義是什么？怎么理解氧化分解？（2）怎么理解細胞呼吸概念中的有機物？有機物是指前面學過的四類（核酸、蛋白質、糖類、脂質）嗎？（3）細胞呼吸有哪些類型？（此組問題主要用于解讀“細胞呼吸”概念）

第2組問題：（1）生活中常使用“呼吸”一詞，請做深呼吸。這里的“呼吸”指的是什么？（2）你能否結合初中生物教材中的“呼吸全過程”（如圖1），標出你認為的“呼吸”對應范圍？（3）呼吸作用僅發生在肺里嗎？（4）O₂進入肺后最終去哪兒了？CO₂從哪兒來？（此組問題主要用于尋找“呼吸”與“呼吸作用”的關系）

[學生學情]學生討論并交換意見后知道“有機物”是反應物（底物），是能提供能量的物質，如糖類、脂肪，“細胞內”是場所，“酶”是反應條件，“CO₂或其他產物”是生成物（產物），“ATP”是能量。細胞呼吸有兩種方式：有氧呼吸和無氧呼吸。但學生對于“有機物能否判斷為蛋白質、核酸”疑惑不解、各執一詞，以為“呼吸”就是呼氣和吸氣。

上述學情，表明學生已完成“自學”和“互學”，暴露“細胞呼吸概念”思維盲區：不理解“氧化分解”的含義，不明白“ATP”是作為物質還是能量，無法區分物質變化和能量變化，不清楚細胞呼吸、呼吸作用與呼吸有何異同，不理解“呼吸”的含義，誤以為呼吸作用僅僅發生在肺里。這些學情，正是教師教學的人手點及學生“互學”提升的好素材。

[教師補充]“氧化分解”是一種化學反應類型，包含氧化還原反應和分解反應兩種；ATP不是能量，是產物，它雖含兩個高能磷酸鍵，但它是大部分細胞主要能源物質，故ATP應視為產物。能量變化為釋放能量。除了糖類、脂肪可釋放能量外，還有蛋白質，可作為生命活動的特殊能源。核酸不能提供能量，一般用作遺傳物質。學生口中的“呼吸”即肺通氣，不完整。以人為例，所謂“呼吸”指人體從周圍環境吸入O₂，同時呼出CO₂的過程。它包括三個層次：肺通氣（外呼吸）；氣體在血液中的運輸（體內運輸）；呼吸作用（內呼吸）。細胞呼吸與呼吸作用實質相同，都是細胞內的有機物發生氧化分解，釋放能量，形成ATP。

3.學生互學，教師領學，突破“有氧呼吸”學習難點

葡萄糖是細胞內的主要能源，也是有氧呼吸和無氧呼吸最常利用的物質。教師先展示“葡萄糖的有氧呼吸過程”（如圖2），然后再將其轉化到一個具體的細胞內（如圖3），最后以1mol葡萄糖的有氧呼吸為例，引導學生思考以下兩組問題。

第1組問題：（1）請說出細胞膜、細胞核、細胞質、線粒體的位置。線粒體外膜、內膜、嵴、線粒體基質分別在哪？（2）有氧呼吸共3個階段，在圖3中用①②③表示，請說出各個階段在哪發生，討論每個階段的物質變化、摩爾數變化，并寫在括號內。（3）有氧呼吸離不開O₂，但真正需要O₂的是在第幾階段？若把O₂中O用¹⁸O標記，”O最先出現在哪？（突破學生“物質變化”學習難點）

第2組問題：（1）1mol葡萄糖經有氧呼吸釋放能量為2870 kJ，其中只有1161 kJ左右的能量儲存在ATP，其余的能量去哪了？由此說明釋放的能量有哪些去向？（2）細胞生命活動所需的能量，大約有95%來自線粒體，因此有氧呼吸的主要場所在哪？（3）寫出有氧呼吸的總反應式。與化學反應式對比，生物反應式的寫法有何異同？（4）說出有氧呼吸的關鍵詞，使用這些關鍵詞，給有氧呼吸下定義。（解決學生“能量變化”的學習困難）

[學生學情]學生在完成兩組“互學”問題的過程中產生新困惑：（1）[H]是什么？有何作用？它和以前接觸的H、H⁺、H₂有何區別？（2）如何計算物質摩爾數？有氧呼吸總反應式出現的“+能量”是“ATP”或是“熱能”還是“ATP+熱能”？學生的這些新困惑，是問題式課堂真正的互動力和生產力。

教師隨即分析學情，找準“下手點”：從物質變化、能量變化、反應條件以及反應類型四個角度梳理“有氧呼吸過程圖解”，如表1。不難發現物質摩爾數變化、反應類型在表中依然懸而未決。究其原因，就是[H]作用和它作為“中間產物”的地位問題沒有解決，出現了“知識斷點”。對此，教師教學的“下手點”應為[H]和“中間產物”。

[教師“領學”提升][H]不是H，不是H⁺，而是一種化合物NADH，具有還原性，作為還原劑。O₂作為氧化劑，這為“反應類型是氧化還原反應”做足了提示。第一階段和第二階段生成[H]，都是氧化還原反應。從C₆H₁₂O₆最終變成了CO₂來看，屬于分解反應。綜上所述，有氧呼吸反應類型為氧化分解，與前文細胞呼吸反應類型一致。

教師接著介紹“中間產物”，為“書寫總反應式”和“能量逐步釋放”搭橋鋪路。有氧呼吸是一系列連續反應，不是一個化學反應。以丙酮酸為例，丙酮酸既是有氧呼吸第一階段產物，也是第二階段底物，像丙酮酸這樣的，還有[H]，都屬于中間產物。每一階段由專門的酶（可用酶₁、酶₂、酶₃表示）催化，且前一階段的反應產物是后一階段的反應底物，因此葡萄糖逐步分解，能量逐步釋放。釋放的能量，一部分以熱能形式散失，其余的在有關酶催化下被ADP接受，與磷酸結合，生成ATP。

4.檢測基礎，“領學”拔高，突破“無氧呼吸”學習難點

第1組問題（檢測基礎）：（1）在有O₂的情況下，細胞有氧呼吸釋放能量，形成ATP。在沒有O₂或O₂不足的條件下，細胞怎樣解決ATP供應問題？（2）據圖4，無氧呼吸包括兩個階段，在圖4中用①②表示，討論每個階段的發生場所、物質變化、能量變化，在圖5括號內寫出。（3）寫出無氧呼吸總反應式。（4）同是無氧呼吸第二階段，為何丙酮酸被還原的產物不同？能否舉例說明哪種生物進行酒精發酵，哪種生物進行乳酸發酵？有沒有一種生物既進行酒精發酵又進行乳酸發酵？試舉例說明。（5）仿照有氧呼吸，給無氧呼吸下定義：無氧呼吸一般指在____的條件下，通過____的催化，把葡萄糖等有機物分解成為____，同時釋放____的過程。

[學生學情]“互學”后生疑：據有氧呼吸[H]作用，提示兩種無氧呼吸反應類型均為氧化分解，卻無法說出丙酮酸被分解為不同產物的原因，亦不能說出氧化分解的異同。

諸如此類就是知識縫隙，教師找出這些知識縫隙后，應見縫插針，從“能量釋放多少和去路”人手，設計第2組問題，實現思維引領螺旋式上升。

第2組問題（“領學”拔高）：（1）以乳酸發酵為例，每消耗1 mol葡萄糖釋放的能量為196.65 kJ，其中只有61.08 kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量去哪了？以酒精發酵為例，每消耗1 mol葡萄糖釋放的能量為225.9 kJ，其中只有61.08 kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量去哪了？無氧呼吸第二階段釋放能量了嗎？（2）與有氧呼吸釋放的能量2870 kJ相比，無氧呼吸釋放的能量非常少，二者釋放能量相差如此之大，這對于理解氧化分解有何意義？差值部分能量儲存在哪？（3）說出哪些過程能形成ATP？在ADP轉化成ATP過程中，所需能量從哪來？

教師補充表2：由于酶種類不同（用酶_a、酶_b、酶_c表示），丙酮酸被還原的產物不同，要么生成酒精和CO₂，要么生成乳酸，不會二者兼而有之。酒精發酵適用于大多數植物、酵母菌；乳酸發酵適用于大部分動物和乳酸菌。與有氧呼吸相比，無氧呼吸釋放能量較少，說明有氧呼吸氧化分解徹底，無氧呼吸氧化分解不徹底，大部分能量儲存在有機物中。

[歸納小結]（1）細胞呼吸主要方式：有氧呼吸。（2）判斷氧化分解徹底與否的依據：觀察產物是否均為無機物。（3）ATP的主要來源。個：①有氧呼吸；②無氧呼吸；③光合作用（如圖6所示）。相應的，在ADP轉化成ATP的過程中，所需的能量來自有機物中的化學能或光能。對于動物、人、真菌和大多數細菌來說，均形成ATP的過程主要有3來自細胞呼吸作用有機物分解所釋放的能量；對于綠色植物來說，除了依賴呼吸作用所釋放的能量外，在葉綠體進行光合作用時，還能利用光能將ADP轉化為ATP。因此ATP的主要來源是細胞呼吸。

5.提問結課.首尾呼應

酵母菌是引課素材，繼續尋找挑戰點進行結課，做到首尾呼應。

提問結課：（1）酵母菌在有氧和無氧條件下都能生存，酵母菌細胞呼吸方式是什么？（2）回到課前“頭腦風暴”：取一部分發酵液，用乙醇和丙酮處理其中的酵母細胞，將它們殺死，發現處理后的發酵液仍然保持發酵能力，為什么？（3）某小組在注射器中加入3 mL含酵母菌的培養液，吸入9 mL空氣后加塞密封，一段時間后，發現針管內的氣體體積增加。為什么？

六、教學反思

本節課涉及較多的概念性知識和過程性知識，夾雜推理分析，課堂處理很有難度。在不照搬教材的情況下進行重構：切塊、分層同時推進。切為3塊，分別是細胞呼吸、有氧呼吸、無氧呼吸，每1塊以組織若干問題分層推進。

“視頻導入”引課，帶出關鍵詞“發酵”，為細胞呼吸概念尋找關鍵詞做好思維內動，亦為“結課”做好首尾呼應，做到了用一個觀察點抓住一節課。

自制的6張圖既是3塊相應線索，也是教學特色。學生初步閱讀教材建立認知后，借助圖形二次建構，為快速“站立文本”搭建支架。特別是有位學生分析有氧呼吸總反應式時，提到“釋放的能量怎么理解？是ATP，或是熱能，還是ATP和熱能二者的總和”，讓教師始料不及，而這就是問題帶來的生產力。學生在問題式課堂中互疑互解、互幫互學，逐漸形成嚴謹性思維，不僅在學而且在用，是學以致用的典型。

有氧呼吸過程是重點，亦是難點。以問題遞進式推進，使組織課堂、觀察課堂的視角由“個體認知”上升為“集體對話”，把課堂變成學生交互的舞臺，增進了生生互動、師生互動，成就了鮮活的課堂。特別是在處理圖3和圖5過程中，學生多次板演，出現多次“學習斷點”“知識縫隙”，為教師找出學生的學習困難及時“搭橋”，也為學生在解決問題過程中生成新問題“鋪路”。此類“問題中再生問題”的方式使問題生成及時、鮮活、有力，從而突破有氧呼吸學習難點，最終讓學生認同“ATP的主要來源是細胞呼吸”。如此，放手二次開發教材，實實在在地構建了問題式課堂。實踐證明，本課教學效果良好，深受學生歡迎。

（責任編輯 黃春香）