以“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”為例，構(gòu)建高效5E課堂

李德偉 (廣東省廣州市培正中學(xué) 廣州 510080)

1 教材分析與設(shè)計(jì)思路

“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”是人教版高中生物學(xué)教材必修1第5章第2節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。在普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中，與本節(jié)有關(guān)的內(nèi)容要求是： 解釋ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。教學(xué)提示建議在教學(xué)活動(dòng)過程中，組織好探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，幫助學(xué)生增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，克服對(duì)微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的困難。通過本節(jié)的探究性學(xué)習(xí)實(shí)踐，能夠掌握設(shè)置對(duì)照組和重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法，進(jìn)一步學(xué)會(huì)控制自變量、觀察和檢測(cè)因變量變化的技能，并能將這些方法和技能應(yīng)用于其他的探究活動(dòng)。學(xué)業(yè)要求在闡明細(xì)胞生命活動(dòng)過程中，能夠認(rèn)識(shí)物質(zhì)與能量變化的關(guān)系。

本節(jié)課設(shè)計(jì)采用“5E”教學(xué)模式，圍繞“ATP的結(jié)構(gòu)和功能”展開討論與學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生初步建立生物學(xué)的物質(zhì)和能量觀。教學(xué)中為學(xué)生提供了相關(guān)內(nèi)容的資料分析，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過感知、體驗(yàn)、實(shí)踐和合作等方式，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求及學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過對(duì)ATP化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的學(xué)習(xí)，初步理解ATP的結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng)的特點(diǎn)。

(2) 通過對(duì)ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行模型構(gòu)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(duì)生活實(shí)例的討論分析，能解釋“ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)”的原因。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣 這個(gè)階段是“5E”教學(xué)模式第一環(huán)節(jié)——“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(xué)生生活實(shí)際，創(chuàng)設(shè)問題情境，引起學(xué)生對(duì)未知的或未曾想到的知識(shí)做出反應(yīng)，激發(fā)學(xué)生迫切解決問題的欲望。

情境引入： 投影夜空點(diǎn)點(diǎn)流螢的圖片，重溫杜牧的詩(shī)句，引導(dǎo)學(xué)生思考： ①螢火蟲發(fā)光的生物學(xué)意義是什么？②螢火蟲體內(nèi)有特殊的發(fā)光物質(zhì)嗎？③螢火蟲發(fā)光的過程中，有能量轉(zhuǎn)換嗎？

提問： 如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明ATP在螢火蟲發(fā)光過程中的重要作用？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(表1)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的三個(gè)原則： 對(duì)照原則、等量原則和單一變量原則。

表1 探究細(xì)胞生命活動(dòng)所需要的直接能源物質(zhì)

講解： 糖類等能源物質(zhì)中儲(chǔ)存的能量能不能直接用于生物體的生命活動(dòng)？(不能)。而ATP中的能量可直接用于生物體的生命活動(dòng)。通過研究，人們發(fā)現(xiàn)糖類等能源物質(zhì)中的能量必須先要轉(zhuǎn)移到ATP中，再由ATP分解產(chǎn)生能量，供生命活動(dòng)利用。由此可見，ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。

提供資料： 1929年德國(guó)生物化學(xué)家費(fèi)斯克(C.H.Fiske)和羅曼(Karl Lohmanna)分別獨(dú)立地從肌肉中首次發(fā)現(xiàn)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(xué)性質(zhì)。

設(shè)計(jì)意圖： 在享受美的視覺的同時(shí)，感受中華傳統(tǒng)文化的美妙。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，滲透熱愛自然和生命的情感。學(xué)生分析思考問題，參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，為提高生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)打下良好基礎(chǔ)。展示實(shí)物，增強(qiáng)真實(shí)感和可信度。

3.2 開展有效的探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，讓學(xué)生在課堂上動(dòng)起來 這個(gè)階段是“5E”教學(xué)模式第二環(huán)節(jié)——“探究”階段。

在這個(gè)階段中，學(xué)生是主體，教師起引導(dǎo)作用，學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究。在學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究過程中，教師要注意觀察和傾聽，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間給予引導(dǎo)。

3.2.1 探究活動(dòng)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(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)是生物學(xué)的一個(gè)基本原理。ATP能直接供能與它的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，那么ATP分子的結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？

向每個(gè)小組成員提供腺嘌呤、核糖和磷酸基團(tuán)及其他化學(xué)鍵的圖片，讓學(xué)生邊閱讀教材邊動(dòng)手組裝ATP的分子結(jié)構(gòu)模型。引導(dǎo)學(xué)生思考： ①構(gòu)成ATP的化學(xué)元素有哪些？②ATP結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式中的A、 T和P分別代表什么？③如何區(qū)分腺嘌呤和腺苷？

講解： 通過逐漸加入磷酸基團(tuán)，幫助學(xué)生厘清AMP、 ADP和ATP之間的關(guān)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(dòng)2： 實(shí)物模擬，形象比喻——ATP的水解 教師講解： 儲(chǔ)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(zhuǎn)變過程。生物體的生命活動(dòng)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(dòng)3： 資料分析，歸納總結(jié)——ATP的合成 聯(lián)系A(chǔ)TP的水解，引導(dǎo)學(xué)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(yī)生通常給術(shù)后不能進(jìn)食的病人注射葡萄糖生理鹽水補(bǔ)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(jù)材料，不難發(fā)現(xiàn)： 對(duì)于動(dòng)物和人等生物來說，ATP合成所需的能量來源來自于細(xì)胞呼吸；對(duì)于綠色植物來說，ATP合成所需的能量來源來自于細(xì)胞呼吸和光合作用。

設(shè)計(jì)意圖： 通過模擬演練，加深對(duì)ATP分子結(jié)構(gòu)的理解，掌握ATP是高能磷酸化合物的原因。在探究學(xué)習(xí)活動(dòng)中，為學(xué)生提供了討論、合作探究及表達(dá)交流的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生的分析綜合能力和合作學(xué)習(xí)能力。通過進(jìn)一步思考可知ATP在分解的同時(shí),還在源源不斷的合成，明白這對(duì)于構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定的供能環(huán)境具有十分重要的意義。

層層推進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入地思考，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3.3 師生共探，深解新知 這個(gè)階段是“5E”教學(xué)模式第三環(huán)節(jié)——“解釋”階段。

在這個(gè)階段中，教師要給學(xué)生提供一個(gè)展示探究階段成果的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)學(xué)生在探究活動(dòng)的基礎(chǔ)上，闡述自己對(duì)新的問題情境的理解。要求不能只注重探究結(jié)果，也要多關(guān)注探究過程。

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

引導(dǎo)學(xué)生思考： ①ATP在細(xì)胞內(nèi)的含量多嗎？②生物體如何補(bǔ)充生命活動(dòng)所需要的大量的ATP呢？學(xué)生認(rèn)同ATP與ADP可以快速相互轉(zhuǎn)化，ATP也不會(huì)在體內(nèi)大量?jī)?chǔ)存而導(dǎo)致浪費(fèi)。

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

講解： 細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)可以分成吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)兩種類型。吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)與ATP的水解和ATP的合成是相聯(lián)系的。能量通過ATP分子在吸能與放能中循環(huán)流通。

進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考： ATP的合成和分解是否可逆。學(xué)生從能量來源與用途入手，完善ATP的合成和分解的相互聯(lián)系的圖解(圖略)。

講解： 從能量的來源和去向、反應(yīng)條件和反應(yīng)場(chǎng)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(zhuǎn)化物質(zhì)可逆，能量不可逆，是兩個(gè)截然不同的生理過程。

通過“貨幣”的類比，幫助學(xué)生更好地理解ATP是流通的能量“貨幣”，加深學(xué)生對(duì)ATP生理功能的理解，得出“ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)”的結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖： 幫助學(xué)生認(rèn)同ATP水解與合成的同時(shí)，伴隨著能量的變化。形成“物質(zhì)是能量流動(dòng)的載體，能量是物質(zhì)代謝的動(dòng)力”的物質(zhì)和能量觀。巧妙運(yùn)用類比，形成生命觀念。

3.4 關(guān)注社會(huì)，遷移應(yīng)用 這個(gè)階段是“5E”教學(xué)模式第四環(huán)節(jié)——“遷移”階段。

這個(gè)階段是在教師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生對(duì)新獲得的知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展和應(yīng)用，并與原有的知識(shí)建立某種聯(lián)系，使學(xué)生可以把新知識(shí)納入原有的知識(shí)系統(tǒng)，構(gòu)建新的知識(shí)體系。

進(jìn)一步探究： 在課堂結(jié)束前，引導(dǎo)學(xué)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(duì)跑步有幫助嗎？”引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活和社會(huì)問題，思考科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系。課題二： 氰化鉀中毒后人在3～6 min內(nèi)就會(huì)因缺少能量而心臟停跳，呼吸麻痹而死，推測(cè)氰化鉀致人死亡的原理，查找資料驗(yàn)證并且提出有效的急救方法。

設(shè)計(jì)意圖： 關(guān)注社會(huì)話題，查資料完成。在課外查找和閱讀資料的過程中，提升學(xué)生的閱讀能力和信息獲取能力。培養(yǎng)學(xué)生探究的意識(shí)，并能利用所學(xué)知識(shí)，對(duì)各種生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行理性分析思考，提升學(xué)生的社會(huì)意識(shí)和責(zé)任感。

3.5 全面評(píng)價(jià)，共同提升 這個(gè)階段是“5E”教學(xué)模式第五環(huán)節(jié)——“評(píng)價(jià)”階段。

評(píng)價(jià)是“5E教學(xué)模式”必不可少的環(huán)節(jié)。評(píng)價(jià)并不只是在教學(xué)結(jié)束才進(jìn)行，而是貫穿在吸引、探究、解釋、遷移和評(píng)價(jià)等5個(gè)環(huán)節(jié)的始終?；谛抡n標(biāo)教學(xué)理念對(duì)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，結(jié)合前面各個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)效果，對(duì)本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(圖1)。

圖1 各教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)科核心素養(yǎng)的聯(lián)系

從教學(xué)流程分析，本教學(xué)案例通過對(duì)話、溝通和合作探究等多種形式，來實(shí)現(xiàn)“ATP是細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能量來源”的教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生通過動(dòng)手拼接模型，在實(shí)際操作過程中加深對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解，提升了學(xué)生的生命觀念。在“探究”環(huán)節(jié)，做了許多探究性學(xué)習(xí)的嘗試，有利于學(xué)生構(gòu)建自己的知識(shí)體系。在“解釋”和“遷移”環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在聯(lián)系實(shí)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(xué)生對(duì)ATP生理功能的理解。在探究性學(xué)習(xí)的活動(dòng)中，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力，增強(qiáng)了學(xué)生熱愛生命和關(guān)注生活的社會(huì)責(zé)任感。

4 教學(xué)反思

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞“ATP是細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)”這一核心概念的建構(gòu)，教師創(chuàng)設(shè)了多種形式的教學(xué)活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生歸納與概括、模型與建模的科學(xué)思維能力，逐步建構(gòu)了生物學(xué)概念。

巧妙運(yùn)用類比，將高能鍵類比成彈簧，借此讓學(xué)生認(rèn)同ATP是一種高能磷酸化合物，并形成結(jié)構(gòu)與功能觀。將壓縮的彈簧松手即高能鍵的斷裂，體會(huì)在此過程中能量的變化，說明物質(zhì)的變化一定伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，由此形成物質(zhì)與能量觀。結(jié)合學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)，通過“貨幣”的類比，幫助學(xué)生更好地理解ATP是能量流通的“貨幣”，加深了學(xué)生對(duì)ATP生理功能的理解，突破知識(shí)難點(diǎn)。