基于生物學科核心素養的“細胞的能量通貨—ATP”教學設計

秦海燕

1.教材內容分析

本節內容是人教版高中生物必修一《分子與細胞》第五章第二節的內容，主要包括ATP的分子結構及特點，ATP與ADP的相互轉化，ATP的功能等內容。ATP是細胞的直接能源物質，學生在前面已經學習了細胞中的能源物質，以及細胞中與能量代謝有關的細胞結構，但是并不清楚糖類等能源物質是如何為細胞提供能量的，通過對本節內容的學習，可以讓學生認識到細胞中普遍存在的功能機制。也可為后面光合作用以及呼吸作用的學習打下基礎。筆者基于對學生核心素養培育，立足教材內容，調整教學順序，從結構決定功能的思路設計本節課的教學策略。同時通過實驗培養學生的科學探究能力，通過模型構建和問題引導培養學生的科學思維，通過情景導入培養學生熱愛生命和自然的情感。

2.教學目標

生命觀念目標：能用物質和能量觀理解ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質；能用穩態與平衡觀解釋ATP和ADP的轉化是十分迅速的。

科學思維目標：能掌握 ATP 的分子結構簡式和特點；能理解 ATP 的化學組成及其在化學組成上與 RNA的關系。

社會責任目標：通過情境創設，激發學習興趣，并滲透熱愛自然和生命的情感教育；關注 ATP 在醫學上的應用。

3.教學過程分析

3.1課堂導入：

通過《囊螢夜讀》的小故事引出螢火蟲發光，以及在很多的古詩詞中都能看到螢火蟲的身影，但是為什么我們現在生活的區域，螢火蟲越來越少了？引起學生的學習興趣，通過播放《螢火蟲為什么越來越少了》的科普視頻，讓學生了解環境污染對螢火蟲的影響。再通過課本上的問題探討引出螢火蟲發光的直接能源物質到底是什么？葡萄糖、脂肪還是其他物質？

設計意圖：提高學生的求知欲，同時對學生進行熱愛生命和自然的情感教育，增強學生的環保意識。

3.2探究實驗分析

基于我們學生基礎較薄弱的實際情況以及學校的實際教學條件，我們通過科學家的探究實驗分析，精心設計問題來分析科學家設計實驗的思路。

用小刀將數十只螢火蟲的發光器割下，干燥后研磨成粉末，取四等份分別裝入四只試管并編號1、2、3、4，各加入少量等量的蒸餾水使之混合，置于暗處，可見試管內有淡黃色熒光出現，約過15分鐘后，熒光消失，然后分別向四只試管中加入5ml葡萄糖、5ml植物油（脂肪）、5mlATP制劑、5ml蒸餾水，觀察現象。只有三號試管出現熒光，其他三只試管均無明顯現象。

設問：（1）本實驗中多個地方用到“等量”這個詞，這體現了什么原則？（對照實驗單一變量原則）

（2）本實驗向四只試管中加蒸餾水后會發出熒光，這里的水有什么作用？（水作溶劑也可能參與化學反應）

（3）為什么要等到熒光消失后才開始后續操作？這一步有什么作用？（排除細胞內原有能源物質的干擾，熒光消失說明細胞內原有的能源物質被消耗完了）

（4）4號試管的作用是什么？（空白對照）

（5）四只試管對比后只有3號試管能出現熒光說明什么？（ATP是使螢火蟲發光的直接能源物質，葡萄糖和脂肪不能被細胞直接利用）

教師解釋：實際上，葡萄糖等能源物質中的能量必須先轉換成ATP中的能量后才能被生物體利用。

設計意圖：通過引導學生分析問題來培養學生的科學思維以及熟悉實驗探究的一般方法。

3.3 介紹ATP的功能

除了螢火蟲發光需要ATP直接供能以外，細胞中還有很多生命活動需要ATP直接供能。如電鰩放電、人和動物的各種運動（踢足球、打籃球、蝴蝶揮動翅膀）甚至大腦在思考問題的時候也利用了 ATP。細胞內的一些化學反應（合成蔗糖的反應）和主動運輸的能量也來自 ATP。ATP 的能量可以轉變為多種形式的其他能源，如光能、電能、滲透能、機械能、化學能。以霍金患有肌萎縮側索硬化癥，每天要注射三磷酸腺苷二鈉為其肌肉供能為例，讓學生了解ATP在醫學上的應用。

設計意圖：讓學生明白ATP是所有細胞生命活動的直接能源物質。從結構決定功能的角度引導學生分析到底ATP具有怎么樣的結構使得其能成為直接能源物質。同時讓學生了解ATP在實際生活中的應用。

3.4 ATP結構模型的構建

請同學們先觀察ATP 的結構式，從ATP的結構式總結ATP的組成元素，并聯系前面所學，歸納含有相同元素組成的物質，如磷脂、核酸等都含有 C、H、O、N、P。

構建ATP的結構模型：

用五邊形 的紙片來表示核糖，用長方形 紙片來表示腺嘌呤，用 表示磷酸基團。

首先建立一磷酸腺苷（AMP）的結構模型，說明它的結構簡式為A-P。

引導學生回憶：大家有沒有覺得好像在哪里見過這個物質呀？由此引出 RNA的基本結構單位之一腺嘌呤核糖核苷酸與AMP是同一物質。在AMP的基礎上高能磷酸鍵連接磷酸基，構建二磷酸腺苷（ADP）和三磷酸腺苷（ATP）的結構模型。教師強調普通磷酸鍵和高能磷酸鍵的區別，同時介紹，高能磷酸鍵斷裂時，大量的能量會釋放出來。ATP可以水解，這實際上是指ATP分子中高能磷酸鍵的水解。高能磷酸鍵水解時釋放的能量高達30.54KJ/mol，一般將水解時，釋放能量在20.92kJ/mol以上的磷酸化合物就稱為高能磷酸化合物，所以說ATP是細胞內的一種高能磷酸化合物。

用回答問題的方式對ATP結構特點進行小結。教師再次強調：ATP 中有 1 個普通磷酸鍵、2 個高能磷酸鍵。ATP 中的 A 不是指腺嘌呤，而是腺苷（即腺嘌呤 + 核糖），因此 ATP 中文名是三磷酸腺苷。

設計意圖：通過模型構建讓學生理解ATP的結構特點以及ATP與RNA的關系。

3.5 ATP與ADP的相互轉化

既然ATP是能源物質，那它的功能機制是怎樣的？引導學生思考：ATP中含有兩個高能磷酸鍵，在供能時到底斷裂幾個高能磷酸鍵？是不是類似燃燒那樣，一下子全部釋放所有能量？

老師介紹研究表明：ATP 一個明顯的結構特點是遠離腺苷（A）的那個高能磷酸鍵不穩定，易斷裂，釋放出大量能量供生命活動利用，但也容易形成。

講解、演示ATP的斷鍵方式，介紹ATP與ADP的相互轉化過程，說明ATP的這種供能機制在真核生物、原核生物的細胞中普遍存在，是生物界的共性。

設計意圖：讓學生明白ATP的供能機制。

3.6 ATP是細胞內的能量通貨

介紹政治課上的通貨的含義，提出為什么把ATP比喻成通貨？

出示資料1：一個正常人體內ATP和ADP的總量很少，基本保持在2～10mg不變，只能供肌肉收縮1～2s所需。但是一個成年人安靜狀態時，24h內竟有40kg的ATP發生轉化。

通過資料1引導學生分析得出：ATP在細胞中的含量很少，但是消耗很多。再提出問題：細胞如何解決這樣的矛盾？

學生可以通過前面學習的ATP與ADP的轉化關系，想到通過ATP與ADP快速相互轉化來實現。

出示資料2：在細胞內，1 mol 葡萄糖徹底氧化分解后，可釋放出 2870 kJ 的能量，相當于 1 mol ATP 水解釋放能量的 94 倍。

引導學生分析葡萄糖含的能量比ATP多得多，但是不適合做直接能源物質的原因。與能源物質葡萄糖相比，ATP 分子儲存的能量雖少卻很活躍，既為生命活動及時提供能量，又避免一時用不盡的能量白白流失掉。

這就好比是我們拿著大額支票與小額鈔票去買東西一樣，哪個更方便呢？大額支票雖然有價值，但是不具有廣泛的流通性，大多數情況下你必須把它拿到銀行去兌換出現金才能去消費。這里葡萄糖和脂肪就好比大額支票，細胞中的線粒體就像是銀行，而ATP就類似于我們手里的鈔票。所以我們形象的把ATP稱為細胞中的能量通貨。

設計意圖：讓學生理解ATP是細胞內能量通貨，形成科學分析問題的能力，培養學生的科學思維。

4.教學反思

本節課教師采用了實驗探究分析、模型構建、直觀演示以及思維啟發等基于生物學科核心素養培育的方式的進行了本節課的教學設計，照顧了生物學科核心素養的四個維度，制定合理的教學目標，并以教學目標為核心，選擇合適教學情境和學生活動展開教學。在教學過程的布局上，教師不拘泥于教材安排，從結構決定功能的思路出發，充分調動了學生學習的積極性。但是仍然存在一些不足之處，例如雖然設計了一些環節讓學生參與，但是課堂上應該更加關注學生，體現學生的主體性等。