基于核心素養(yǎng)的高中生物學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：本文以“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”一節(jié)內(nèi)容為例，為發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，筆者采用多種教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，揭示ATP的功能；通過(guò)小組合作環(huán)節(jié)，構(gòu)建物理模型，掌握ATP的結(jié)構(gòu)；通過(guò)分析資料環(huán)節(jié)，構(gòu)建概念模型，闡述ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程；通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)前沿議題，參與議題討論并進(jìn)行理性解釋，旨在

確保學(xué)生的核心素養(yǎng)得到充分發(fā)展。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；高中生物學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)；ATP

文章編號(hào)：1003-7586（2024）09-0041-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

新時(shí)代的高中生物學(xué)課堂更加注重提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。本文以“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”一節(jié)內(nèi)容為例，運(yùn)用多種教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，逐步發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 教材及課標(biāo)分析

“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第5章第2節(jié)的內(nèi)容。學(xué)生在第1節(jié)學(xué)習(xí)了酶的作用和本質(zhì)，了解了活化能的概念，但尚未接觸到為細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)直接提供能量的物質(zhì)。教材的第3節(jié)指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)細(xì)胞的呼吸作用并掌握有機(jī)物中的化學(xué)能有一部分儲(chǔ)存在ATP中。因而，本節(jié)內(nèi)容在教材內(nèi)容上起到了承上啟下的作用，既說(shuō)明了ATP能夠?yàn)榧?xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)直接提供能量，又解釋了葡萄糖等有機(jī)物可以通過(guò)細(xì)胞呼吸轉(zhuǎn)化為ATP，進(jìn)而為生命活動(dòng)供能。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）對(duì)本節(jié)內(nèi)容的要求為“解釋ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)”。為突破這一重難點(diǎn)，筆者結(jié)合并運(yùn)用多種教學(xué)方式，如設(shè)計(jì)牛蛙腓腸肌收縮實(shí)驗(yàn)、構(gòu)建ATP結(jié)構(gòu)模型、將葡萄糖類比為大額存單、將ATP類比為零錢等，從而幫助學(xué)生理解ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)觀看視頻，分析ATP的功能，學(xué)習(xí)ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成結(jié)構(gòu)與功能觀；通過(guò)構(gòu)建ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的概念模型，說(shuō)明物質(zhì)作為載體實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)，能量作為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)，形成物質(zhì)與能量觀（生命觀念）。

（2）通過(guò)小組合作構(gòu)建ATP的結(jié)構(gòu)模型，提升團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和建模能力，并逐步發(fā)展科學(xué)思維（科學(xué)思維）。

（3）通過(guò)觀察牛蛙肌肉收縮這一生理學(xué)現(xiàn)象，并對(duì)實(shí)驗(yàn)處理后的結(jié)果進(jìn)行交流談?wù)摚纬蓪?shí)踐探究意識(shí)（科學(xué)探究）。

（4）閱讀資料，結(jié)合我國(guó)科學(xué)家的研究成果，關(guān)注科學(xué)前沿議題，參與議題討論并進(jìn)行理性解釋，傳播關(guān)愛(ài)生命的觀念和知識(shí)，為健康中國(guó)的發(fā)展提供助力（社會(huì)責(zé)任）。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

癌癥一直是危害人類健康的主要疾病之一。如何準(zhǔn)確地投放抗癌藥物一直是科學(xué)家研究的難題。近年，我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在“ATP驅(qū)動(dòng)的抗癌藥物定向遞送和釋放”方面取得新的進(jìn)展。該研究以細(xì)菌體內(nèi)的某種天然蛋白——G蛋白作為攜帶抗癌藥物的載體，利用腫瘤微環(huán)境中的高濃度ATP幫助藥物釋放，從而達(dá)到靶向治療效果。 ［1］

設(shè)計(jì)意圖：教師以我國(guó)科學(xué)家的研究成果為情境導(dǎo)入教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并引發(fā)學(xué)生思考：ATP在藥物釋放的過(guò)程中具有什么作用？

3.2 師生互動(dòng)，學(xué)習(xí)新知

3.2.1 探究一：ATP的功能

牛蛙腓腸肌收縮實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察刺激坐骨神經(jīng)之后的現(xiàn)象并提問(wèn)：什么物質(zhì)為牛蛙腓腸肌收縮直接供能？牛蛙腓腸肌在受到連續(xù)15min的刺激后不再收縮。此時(shí)，向牛蛙腓腸肌分別滴加ATP

和葡萄糖溶液（見(jiàn)圖1），并再次刺激腓腸肌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ATP組的牛蛙腓腸肌收縮，而葡萄糖組的牛蛙腓腸肌不收縮。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生結(jié)合以往所學(xué)知識(shí)可能會(huì)推測(cè)葡萄糖能夠?yàn)榕Ｍ茈枘c肌收縮直接供能。而教師基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生形成ATP為腓腸肌收縮直接供能的初步認(rèn)識(shí)。

3.2.2 探究二：ATP的結(jié)構(gòu)

教師以問(wèn)題串的形式引導(dǎo)學(xué)生思考：“ATP的結(jié)構(gòu)與功能之間有什么關(guān)系？為什么ATP是細(xì)胞內(nèi)的一種高能磷酸化合物？”并要求學(xué)生利用紙筆及相關(guān)材料以小組為單位構(gòu)建ATP的結(jié)構(gòu)模型（見(jiàn)圖2）。其間，教師及時(shí)為學(xué)生提供指導(dǎo)，推進(jìn)學(xué)生小組合作，幫助其完善物理模型的構(gòu)建。

設(shè)計(jì)意圖：教師以問(wèn)題串的形式引導(dǎo)學(xué)生思考，提升學(xué)生查找資料、分析問(wèn)題的能力；通過(guò)組織小組合作構(gòu)建模型，提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和建模能力，并逐步發(fā)展其科學(xué)思維。

3.2.3 探究三：ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)

教師提供兩組數(shù)據(jù)，糾正并幫助學(xué)生理解細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)是ATP而非葡萄糖的原因。數(shù)據(jù)一：1mol的葡萄糖徹底氧化分解能夠釋放出2870kJ能量，1mol的ATP水解能夠釋放出30.54kJ能量。數(shù)據(jù)二：細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸時(shí)，鈉鉀泵每運(yùn)輸2mol的鉀離子和3mol的鈉離子要消耗近30kJ的能量。

設(shè)計(jì)意圖：教師將葡萄糖類比為大額存單，ATP零錢，通過(guò)提供數(shù)據(jù)幫助學(xué)生認(rèn)同ATP類比為細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)的觀點(diǎn)，進(jìn)一步鞏固學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。

3.2.4 探究四：ATP與ADP可以相互轉(zhuǎn)化

教師提供兩則資料。資料一：相關(guān)研究顯示，一個(gè)成年人在靜止?fàn)顟B(tài)下24h消耗的ATP約為40kg；在劇烈運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，每分鐘約有0.5kgATP水解為ADP。資料二：成年人體內(nèi)ATP的總量約為2～10mg，人體在休息狀態(tài)下肌肉內(nèi)的ATP含量?jī)H能供肌肉收縮1～2s。 ［2］學(xué)生分析資料，發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)的ATP消耗量很大，但含量很少。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)展示兩則資料，引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生找到解決問(wèn)題的路徑，即ATP與ADP可以快速相互轉(zhuǎn)化并維持動(dòng)態(tài)平衡，由此幫助學(xué)生建立穩(wěn)態(tài)與平衡的生命觀念。

3.2.5 探究五：ATP的合成與水解

教師引導(dǎo)學(xué)生建立如圖3所示的概念模型，并提供相關(guān)資料。資料一：催化ATP合成的酶主要分布于葉綠體的類囊體薄膜及線粒體內(nèi)膜。ADP能夠吸收細(xì)胞呼吸過(guò)程中葡萄糖等有機(jī)物氧化分解所釋放的能量或光合作用捕獲的光能，并與游離的磷酸結(jié)合，重新合成ATP。

學(xué)生思考：合成ATP的能量從哪里獲取？ATP水解釋放的能量具有哪些用途？

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念模型及分析資料，幫助學(xué)生理解“吸能反應(yīng)與ATP水解相關(guān)，放能反應(yīng)與ATP合成相關(guān)”，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“物質(zhì)作為能量的載體，能量作為動(dòng)力”的生命觀念。

3.3 關(guān)注科學(xué)前沿，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任

教師提供的“ATP驅(qū)動(dòng)的抗癌藥物定向遞送和釋放”相關(guān)研究資料表明，科學(xué)家利用細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的天然蛋白——G蛋白，裝載抗癌藥物多柔比星。腫瘤微環(huán)境中的高濃度ATP能夠通過(guò)改變G蛋白的構(gòu)象促進(jìn)藥物的定向釋放，以達(dá)到治療效果。教師基于此引導(dǎo)學(xué)生思考以下問(wèn)題：G蛋白攜帶抗癌藥物時(shí)，能否在正常細(xì)胞周圍釋放？為什么？在腫瘤微環(huán)境中，G蛋白中的藥物如何被釋放，其作用機(jī)理是什么？

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)前沿議題，運(yùn)用所學(xué)生物學(xué)知識(shí)，參與議題討論并進(jìn)行理性解釋，培養(yǎng)學(xué)生崇尚科學(xué)的態(tài)度，傳播關(guān)愛(ài)生命的觀念和知識(shí)，為健康中國(guó)行動(dòng)貢獻(xiàn)力量。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課例通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀看演示視頻，構(gòu)建模型，分析資料，參與研究議題討論等教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)新知的同時(shí)深入領(lǐng)悟生命現(xiàn)象的本質(zhì)，從而不斷提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，以達(dá)成立德樹(shù)人的根本任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

［1］YUAN Y，DU C，SUN C，et al. Chaperonin-GroEL as a smart hydrophobic drug delivery and tumor targeting molecular machine for tumor therapy［J］. Nano Letters，2018，18（2）：921-928.

［2］黃瑞芳. 在高中生物學(xué)課堂中培植學(xué)生的生命觀念——以“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”為例［J］. 中學(xué)生物教學(xué)，2023（27）：75-78.