以“細胞的能量‘貨幣’ATP”為例，構建高效5E課堂

李德偉 (廣東省廣州市培正中學 廣州 510080)

1 教材分析與設計思路

“細胞的能量‘貨幣’ATP”是人教版高中生物學教材必修1第5章第2節的教學內容。在普通高中生物學課程標準中，與本節有關的內容要求是： 解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。教學提示建議在教學活動過程中，組織好探究性學習活動，幫助學生增強感性認識，克服對微觀結構認識的困難。通過本節的探究性學習實踐，能夠掌握設置對照組和重復實驗的方法，進一步學會控制自變量、觀察和檢測因變量變化的技能，并能將這些方法和技能應用于其他的探究活動。學業要求在闡明細胞生命活動過程中，能夠認識物質與能量變化的關系。

本節課設計采用“5E”教學模式，圍繞“ATP的結構和功能”展開討論與學習，幫助學生初步建立生物學的物質和能量觀。教學中為學生提供了相關內容的資料分析，學生在教師的指導下，通過感知、體驗、實踐和合作等方式，達成教學目標。

2 教學目標

基于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，制訂了如下教學目標：

(1) 通過對ATP化學組成和結構特點的學習，初步理解ATP的結構與其功能相適應的特點。

(2) 通過對ATP和ADP相互轉化進行模型構建，能歸納和理解ATP形成所需能量的主要來源及意義。

(3) 通過對生活實例的討論分析，能解釋“ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”的原因。

3 教學過程

3.1 創設教學情境，激發學習興趣 這個階段是“5E”教學模式第一環節——“吸引”階段。興趣是最好的老師，教師可以在課堂的開始階段，貼近學生生活實際，創設問題情境，引起學生對未知的或未曾想到的知識做出反應，激發學生迫切解決問題的欲望。

情境引入： 投影夜空點點流螢的圖片，重溫杜牧的詩句，引導學生思考： ①螢火蟲發光的生物學意義是什么？②螢火蟲體內有特殊的發光物質嗎？③螢火蟲發光的過程中，有能量轉換嗎？

提問： 如何設計實驗，證明ATP在螢火蟲發光過程中的重要作用？引導學生進行實驗設計(表1)，強調實驗設計的三個原則： 對照原則、等量原則和單一變量原則。

表1 探究細胞生命活動所需要的直接能源物質

講解： 糖類等能源物質中儲存的能量能不能直接用于生物體的生命活動？(不能)。而ATP中的能量可直接用于生物體的生命活動。通過研究，人們發現糖類等能源物質中的能量必須先要轉移到ATP中，再由ATP分解產生能量，供生命活動利用。由此可見，ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。

提供資料： 1929年德國生物化學家費斯克(C.H.Fiske)和羅曼(Karl Lohmanna)分別獨立地從肌肉中首次發現了ATP。出示ATP片劑或注射液的使用說明書，講述ATP藥物的作用及化學性質。

設計意圖： 在享受美的視覺的同時，感受中華傳統文化的美妙。激發學生的學習興趣，滲透熱愛自然和生命的情感。學生分析思考問題，參與實驗設計，進一步提高學生的科學探究能力，為提高生物學學科核心素養打下良好基礎。展示實物，增強真實感和可信度。

3.2 開展有效的探究性學習活動，讓學生在課堂上動起來 這個階段是“5E”教學模式第二環節——“探究”階段。

在這個階段中，學生是主體，教師起引導作用，學生進行科學探究。在學生進行科學探究過程中，教師要注意觀察和傾聽，并在適當的時間給予引導。

3.2.1 探究活動1： 模擬演練，加深理解——ATP是一種高能磷酸化合物 教師提問： 物質的結構與功能相適應是生物學的一個基本原理。ATP能直接供能與它的結構密切相關，那么ATP分子的結構是什么樣的呢？

向每個小組成員提供腺嘌呤、核糖和磷酸基團及其他化學鍵的圖片，讓學生邊閱讀教材邊動手組裝ATP的分子結構模型。引導學生思考： ①構成ATP的化學元素有哪些？②ATP結構簡式中的A、 T和P分別代表什么？③如何區分腺嘌呤和腺苷？

講解： 通過逐漸加入磷酸基團，幫助學生厘清AMP、 ADP和ATP之間的關系(AMP： 一磷酸腺苷，ADP： 二磷酸腺苷，ATP： 三磷酸腺苷)。

3.2.2 探究活動2： 實物模擬，形象比喻——ATP的水解 教師講解： 儲存在ATP高能鍵中的能量是如何被釋放的呢？將高能鍵類比成壓縮的彈簧，將壓縮的彈簧松手即高能鍵斷裂，提問在此過程中能量的轉變過程。生物體的生命活動在不斷地消耗能量，意味著ATP在不斷地水解。

3.2.3 探究活動3： 資料分析，歸納總結——ATP的合成 聯系ATP的水解，引導學生思考： ①利用什么材料來合成ATP？②ATP的合成所需的能量來自哪里？

資料分析： ①醫生通常給術后不能進食的病人注射葡萄糖生理鹽水補充能量；②人們的主食米飯、面食的主要成分是淀粉；③植物在光照條件下，葉綠體能合成ATP，也能制造糖類；在無光情況下，葉綠體不能合成ATP，也不能制造糖類。

講解： 根據材料，不難發現： 對于動物和人等生物來說，ATP合成所需的能量來源來自于細胞呼吸；對于綠色植物來說，ATP合成所需的能量來源來自于細胞呼吸和光合作用。

設計意圖： 通過模擬演練，加深對ATP分子結構的理解，掌握ATP是高能磷酸化合物的原因。在探究學習活動中，為學生提供了討論、合作探究及表達交流的機會，培養學生的分析綜合能力和合作學習能力。通過進一步思考可知ATP在分解的同時,還在源源不斷的合成，明白這對于構成細胞內穩定的供能環境具有十分重要的意義。

層層推進，引導學生逐步深入地思考，培養學生的科學思維能力。

3.3 師生共探，深解新知 這個階段是“5E”教學模式第三環節——“解釋”階段。

在這個階段中，教師要給學生提供一個展示探究階段成果的機會，鼓勵學生在探究活動的基礎上，闡述自己對新的問題情境的理解。要求不能只注重探究結果，也要多關注探究過程。

資料分析： 成人體內ATP的總量約2～10 mg，在安靜的狀態下一天需要消耗的ATP為48 kg，在活動的狀況下ATP的消耗可達0.5 kg/min；在安靜狀態時，肌肉內ATP的所放能量只能維持肌肉收縮1～2 s。

引導學生思考： ①ATP在細胞內的含量多嗎？②生物體如何補充生命活動所需要的大量的ATP呢？學生認同ATP與ADP可以快速相互轉化，ATP也不會在體內大量儲存而導致浪費。

提問： ATP作為直接的能源物質，水解后產生的能量還可以用于哪些生命活動？結合教材圖解，分析回答。

講解： 細胞內化學反應可以分成吸能反應和放能反應兩種類型。吸能反應和放能反應與ATP的水解和ATP的合成是相聯系的。能量通過ATP分子在吸能與放能中循環流通。

進一步引導學生思考： ATP的合成和分解是否可逆。學生從能量來源與用途入手，完善ATP的合成和分解的相互聯系的圖解(圖略)。

講解： 從能量的來源和去向、反應條件和反應場所等方面，可知ATP的合成與分解過程不盡相同，ATP與ADP的相互轉化物質可逆，能量不可逆，是兩個截然不同的生理過程。

通過“貨幣”的類比，幫助學生更好地理解ATP是流通的能量“貨幣”，加深學生對ATP生理功能的理解，得出“ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”的結論。

設計意圖： 幫助學生認同ATP水解與合成的同時，伴隨著能量的變化。形成“物質是能量流動的載體，能量是物質代謝的動力”的物質和能量觀。巧妙運用類比，形成生命觀念。

3.4 關注社會，遷移應用 這個階段是“5E”教學模式第四環節——“遷移”階段。

這個階段是在教師的引導下，讓學生對新獲得的知識進行擴展和應用，并與原有的知識建立某種聯系，使學生可以把新知識納入原有的知識系統，構建新的知識體系。

進一步探究： 在課堂結束前，引導學生開展新的課題研究。課題一：“ATP是不是興奮劑？”“吃ATP或注射ATP對跑步有幫助嗎？”引導學生關注生活和社會問題，思考科學技術與社會的關系。課題二： 氰化鉀中毒后人在3～6 min內就會因缺少能量而心臟停跳，呼吸麻痹而死，推測氰化鉀致人死亡的原理，查找資料驗證并且提出有效的急救方法。

設計意圖： 關注社會話題，查資料完成。在課外查找和閱讀資料的過程中，提升學生的閱讀能力和信息獲取能力。培養學生探究的意識，并能利用所學知識，對各種生物學現象進行理性分析思考，提升學生的社會意識和責任感。

3.5 全面評價，共同提升 這個階段是“5E”教學模式第五環節——“評價”階段。

評價是“5E教學模式”必不可少的環節。評價并不只是在教學結束才進行，而是貫穿在吸引、探究、解釋、遷移和評價等5個環節的始終。基于新課標教學理念對生物學學科核心素養的要求，結合前面各個環節的教學設計和教學效果，對本節課教學設計進行綜合評價(圖1)。

圖1 各教學環節與學科核心素養的聯系

從教學流程分析，本教學案例通過對話、溝通和合作探究等多種形式，來實現“ATP是細胞生命活動的直接能量來源”的教學目標。學生通過動手拼接模型，在實際操作過程中加深對科學知識的理解，提升了學生的生命觀念。在“探究”環節，做了許多探究性學習的嘗試，有利于學生構建自己的知識體系。在“解釋”和“遷移”環節，讓學生在聯系實際生活過程中，逐步揭示出能量的來源和去向。巧用“貨幣”的類比，提出能量“貨幣”的說法，加深了學生對ATP生理功能的理解。在探究性學習的活動中，培養了學生的科學思維能力，增強了學生熱愛生命和關注生活的社會責任感。

4 教學反思

本節教學設計圍繞“ATP是細胞生命活動的直接能源物質”這一核心概念的建構，教師創設了多種形式的教學活動，發展學生歸納與概括、模型與建模的科學思維能力，逐步建構了生物學概念。

巧妙運用類比，將高能鍵類比成彈簧，借此讓學生認同ATP是一種高能磷酸化合物，并形成結構與功能觀。將壓縮的彈簧松手即高能鍵的斷裂，體會在此過程中能量的變化，說明物質的變化一定伴隨著能量的轉化，由此形成物質與能量觀。結合學生生活經驗，通過“貨幣”的類比，幫助學生更好地理解ATP是能量流通的“貨幣”，加深了學生對ATP生理功能的理解，突破知識難點。