基于微視頻的“細胞的能量‘通貨’
——ATP”一節的教學設計

秦海峰

(江蘇省如皋市長江高級中學 如皋 226532)

1 教材分析

“細胞的能量‘通貨’——ATP”是人教版高中生物學教材《分子與細胞》第5章第2節的內容，包括ATP的組成和結構、ATP與ADP的相互轉化以及ATP的利用三大部分。其與前面所學的糖類、脂肪等能源物質有一定的聯系[1]。與第5章細胞呼吸、光合作用也有一定的關聯。本節篇幅雖不大，但能幫助學生樹立正確的“結構與功能”“物質與能量”的生命觀念。內容簡單，但比較枯燥，學生不易理解“ATP是直接的能源物質”和“ATP是細胞的能量‘通貨’”。

2 教學目標

依據課程標準的內容要求、學業要求及學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂如下教學目標：

(1) 通過構建ATP模型，形成ATP的結構與功能相適應的生命觀念。

(2) 通過探究實驗分析，提升科學思維能力。

(3) 初步學會基于“物質和能量觀”解釋生命現象。

3 教學過程

3.1 創設情境，設問激疑 播放導入視頻(?電子資源)，視頻內容為： 唐代詩人李白曾寫過的一首詩，“雨打燈難滅，風吹色更明。若非天上去，定作月邊星。”在古代，真有這樣的神燈嗎？雨打難滅，風吹更明。其實，這首詩描寫的是一種昆蟲，那么究竟是哪一種昆蟲呢？相信你一定猜到了。沒錯，這首《詠螢火》描寫的正是螢火蟲。螢火蟲的腹部會發出微小的光亮，就好像是掛了一盞小燈籠。寧靜的夏夜，草叢中熒光閃閃，確實如天空中繁星點點。就讓我們追隨這些微小但靈動的光芒，進入螢火蟲的奇妙世界。那么螢火蟲發光的秘密是什么呢？螢火蟲體內有特殊的發光物質嗎？螢火蟲發光的過程究竟有什么物質變化？這一過程又有怎樣的能量轉換呢？就讓我們通過下面的探究實驗探索其中的奧秘吧！

設計意圖： 吸引學生注意，激發學習興趣，引入探究實驗。

3.2 探究實驗分析，理解ATP是直接的能源物質 通過無線同屏技術，演示手機App科學小助手中的螢火蟲發光探究實驗視頻。實驗一： 先用小刀將數十只螢火蟲發光器割下，干燥后研磨成粉末，取兩等份，分別裝入兩支試管，各加入少量水，使之混合置于暗處，可見試管內有淡黃色熒光出現，約過15分鐘熒光消失。實驗二： 一支試管中滴加兩滴葡萄糖溶液，另一支試管中滴加等量的ATP溶液，結果滴加葡萄糖的試管沒有出現熒光，而滴加ATP的試管卻出現熒光。然后引導學生從能量的角度考慮，小組討論螢火蟲發光實驗中的問題： ①實驗一試管內為什么會有熒光出現?為什么熒光又會消失呢？②實驗二滴加葡萄糖的試管內沒有出現熒光，而滴加ATP的試管內卻出現熒光，實驗可以得出什么結論？要求： 把答案拍照上傳至云平臺展示。

設計意圖： 通過對探究實驗的分析，令學生明白糖類不能為螢火蟲發光直接供能，但ATP能直接供能。力圖幫助學生直觀理解“ATP是直接的能源物質”，突破教學難點。

3.3 ATP在細胞中的含量 教師設問： 夏夜，我們看到螢火蟲在夜空中飛舞著、閃爍著，應該需要很多能量，所以也應該需要很多ATP。那么它小小的身軀如何能秘藏有大量的ATP？如果螢火蟲體內真有大量的ATP,它又如何能輕盈地飛舞于夜空呢？奇妙的生物體在長期的演化中找到了什么辦法來解決這一難題，從而讓螢火蟲能星光熠熠地輕舞飛揚的呢？請學生閱讀并分析資料： 人體內約有ATP 0.5 kg。成年人所有細胞內ATP和ADP的總量僅有2.0×10-6～1.0×10-5kg。一個正常成年人在平靜狀態下24 h消耗40 kg ATP，在劇烈運動狀態下，每分鐘約有0.5 kg的ATP分解釋放能量，供運動所需。

通過分析資料，學生得出結論： ATP在細胞中的含量確實很少，但需求量卻很大。教師總結并設問引導學生： 螢火蟲也是這樣，細胞內的ATP含量很少，但它發光所需的ATP卻很多，這實在是讓人匪夷所思了，如何化解這一矛盾？其中的秘密一定藏在ATP分子結構中。

設計意圖： 引發學生思考，同時培養學生證據意識。

3.4 ATP能提供大量能量的秘密 具體教學設計過程如下：

3.4.1 ATP的結構特點 教師先向學生介紹普通化學鍵和高能磷酸鍵各自的化學本質，然后設置問題串：“為什么ATP能作為直接能源物質呢？它究竟是什么物質？又有什么結構特點呢？為什么它被稱為ATP呢？”引入構建ATP結構模型的小組活動。活動要求： 第1、 3、 5、 7組在紙上畫出ATP結構簡圖，第2、 4、 6、 8組用所給ATP模型紙片材料(圖1)拼出ATP結構模型，最后用手機或平板電腦拍照并上傳至云平臺。經師生討論，讓學生再對自己搭建的ATP結構模型進行修正。

圖1 ATP模型紙片材料

教師提出問題：“結構上看，ATP是一種高能磷酸化合物，含有高能磷酸鍵。那么，儲存在高能磷酸鍵中的能量是怎樣釋放出來的呢？”引入ATP與ADP相互轉化。播放“ATP與ADP相互轉化視頻”(?電子資源)，視頻內容為： ATP的化學性質不穩定。在有關酶的催化作用下，ATP分子中遠離腺苷的那個高能磷酸鍵很容易水解，儲存在這個高能磷酸鍵中的能量釋放出來，同時，遠離腺苷的那個磷酸基團就脫離開來，形成游離的磷酸(Pi)，這樣，ATP就轉化成二磷酸腺苷(英文名稱縮寫ADP)。而在有關酶的催化作用下，ADP可以接受能量，同時與一個游離的磷酸結合，重新形成ATP。這就是ATP與ADP相互轉化。

設計意圖： 培養學生合作學習的能力，提升學生“模型與建模”的科學思維素養。

3.4.2 ATP與ADP相互轉化的特點 提供資料： 用32P標記磷酸加入細胞培養液中，盡管短時間后ATP的總量變化并不大，但是大部分ATP末端磷酸基團卻已經帶有放射性標記。

從該資料，同學們能分析出生物體是如何解決細胞內ATP含量少、但需求量大這一矛盾的嗎？

學生得出結論： ATP與ADP是可以相互轉化的，并且這種轉化十分迅速，細胞內的ATP含量始終處于動態平衡之中，從而保證了細胞內能量的持續供應。

設計意圖： 引發學生自主思考，培養學生科學推理能力。

3.5 ATP的來源 教師設疑： 細胞內ATP與ADP相互轉化的能量供應機制，是生物界的共性。那么，在ADP轉化成ATP的過程中，所需要的能量從哪里來呢？

學生通過閱讀教材89頁ADP轉化成ATP時所需能量主要來源的相關文字和圖示，可以回答上面的問題，即對于動物、人、真菌和大多數細菌來說，均來自細胞進行呼吸作用時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，在葉綠體內進行光合作用時，ADP轉化為ATP還利用了光能。

設計意圖： 通過ADP向ATP轉化的過程，讓學生理解ATP中遠離腺苷的高能磷酸鍵中的能量來自于光能和有機物中穩定的化學能，培養能量平衡觀。

3.6 ATP的利用 教師設疑： 在ADP轉化成ATP的過程中可釋放的能量，這些能量將直接用于哪些生命活動?學生思考后反饋： 主動運輸、肌細胞收縮、大腦思考、各種吸能反應、生物發電、發光，這就是ATP的利用。教師就本節課導入時的場景追問： 現在我們知道ATP水解可釋放能量用于發光等(如螢火蟲)。下面請從物質和能量的角度解釋螢火蟲為什么能發出熒光。學生通過閱讀教材89頁“ATP利用”中螢火蟲發光原因的文字材料，回答： 螢火蟲尾部的發光細胞中含有熒光素和熒光素酶。熒光素接受ATP提供的能量后就被激活。在熒光素酶的催化作用下，激活的熒光素與氧發生化學反應，形成氧化熒光素，并發出熒光(圖2)。

圖2 螢火蟲發光原因示意圖

教師再回到本節課的導入場景——“雨打難滅，風吹更明”的螢火的奧秘原來如此，與神奇的能量物質ATP有關，并請學生看視頻。播放“能量通貨視頻”(?電子資源)，視頻內容為： 細胞內的化學反應有些是需要吸收能量的，這樣的反應我們稱為吸能反應，所需的能量由ATP水解提供；還有些化學反應是釋放能量的，這樣的反應我們稱為放能反應，這些反應釋放的能量將用于ATP的合成，釋放的能量儲存在ATP。也就是說，能量通過ATP分子在吸能反應和放能反應之間循環流通。因此，可以形象地把ATP比喻成細胞內流通的能量“通貨”。

設計意圖： 通過解釋“螢火蟲為什么能發出熒光”，樹立學生的物質與能量的生命觀念。通過視頻形象的展示，加深學生對ATP是能量“通貨”的理解。

3.7 課堂小結 學生根據ATP思維導圖框架圖(圖3)完善思維導圖，總結本課的內容。

設計意圖： 讓學生通過思維導圖框架進行課堂總結，構建知識網絡，鞏固所學知識。

4 教學反思

本節課嘗試將生物學核心素養與生命科學趣味融合在教學中，吸引學生的注意，激發學生興趣。以“螢火蟲發出熒光”作為主線，聚焦生物學核心素養，引導學生以“自主、合作、探究”的形式進行學習。若能就ATP的合成與ATP的水解過程從各個角度比較，并進一步就兩者是否是可逆反應進行辨析，將有助于提升學生的科學思維的能力。