基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)

安徽

1.教材分析及設(shè)計(jì)思路

“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”是人教版普通高中教科書(shū)生物學(xué)（2019 年版）必修1《分子與細(xì)胞》第5 章“細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用”第2 節(jié)的內(nèi)容。教材以ATP 的結(jié)構(gòu)介紹、ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化和ATP的利用的順序進(jìn)行布局，ATP 的水解與合成是ATP 與ADP 相互轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，ATP 的利用是建立在ATP 與ADP 相互轉(zhuǎn)化上的。教材整體編排上，本節(jié)位于“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”之后，“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”的內(nèi)容之前，在第5 章的知識(shí)體系中具有承上啟下的重要作用。

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)細(xì)胞中能源物質(zhì)糖類和脂肪、“動(dòng)力車間”線粒體、“能量轉(zhuǎn)換站”葉綠體以及主動(dòng)運(yùn)輸消耗ATP 等知識(shí)，所以本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是以解釋ATP 為直接能源物質(zhì)為依托，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與探究能力，以及在科學(xué)研究中勇于質(zhì)疑、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度?！镀胀ǜ咧猩飳W(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)課堂教學(xué)提出要求：生物學(xué)課程要求學(xué)生主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)，在親歷提出問(wèn)題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過(guò)程中習(xí)得生物學(xué)知識(shí)，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐能力?；谝陨峡紤]，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞三個(gè)方面展開(kāi)：

1.1 構(gòu)建模型，深化結(jié)構(gòu)與功能觀

教師提出糖類和脂肪是能源物質(zhì)，但是不能為細(xì)胞的各項(xiàng)生命活動(dòng)直接供能，驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)是ATP，有利于學(xué)生形成正確的結(jié)構(gòu)與功能觀。

1.2 開(kāi)展探究活動(dòng)，促進(jìn)科學(xué)思維的形成

以探究螢火蟲(chóng)發(fā)光實(shí)驗(yàn)為例，教師提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)材料創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生以小組合作學(xué)習(xí)的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激發(fā)其探究熱情，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)解答疑惑，在實(shí)踐中探索真知，有利于形成ATP 和ADP 相互轉(zhuǎn)化的穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

1.3 培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任，實(shí)現(xiàn)育人價(jià)值

教師適當(dāng)補(bǔ)充科學(xué)家發(fā)現(xiàn)ATP 和對(duì)其研究的過(guò)程以及ATP 的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)，認(rèn)同科學(xué)研究需要大膽質(zhì)疑并勇于實(shí)踐的科學(xué)精神，將“立德樹(shù)人”切實(shí)落實(shí)到課堂教學(xué)中。

2.教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求及圍繞培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，筆者制訂了如下的教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過(guò)自制教具構(gòu)建ATP 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，發(fā)展學(xué)生結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

（2）通過(guò)資料分析培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，在探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、交流、討論中提高科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力。

（3）通過(guò)感受與ATP 相關(guān)的科學(xué)技術(shù)在生活中的實(shí)際運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

3.教學(xué)過(guò)程

3.1 創(chuàng)設(shè)諾貝爾獎(jiǎng)情境，導(dǎo)入新課

教師介紹：1997 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)一半授予美國(guó)生物化學(xué)家保羅·波耶爾（Paul D.Boyer）和英國(guó)化學(xué)家沃克（John E.Walker），以表彰他們?cè)谘芯慨a(chǎn)生儲(chǔ)能分子ATP的酶催化過(guò)程中的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)；另一半授予丹麥生物化學(xué)家詹斯·斯科（Jens C.Skou），因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了一種被稱為鈉鉀激活的腺苷三磷酸——鈉鉀ATP 酶（Na+-K+ATPase）。ATP 是所有生物細(xì)胞新陳代謝過(guò)程的“燃料”。

拋出問(wèn)題：ATP 究竟有何魅力吸引著各國(guó)科學(xué)家對(duì)其研究？它與能源物質(zhì)糖類和脂肪有什么關(guān)系呢？今天就讓我們一起走近ATP。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)展示重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)的諾貝爾獎(jiǎng)，引導(dǎo)學(xué)生重溫相關(guān)科學(xué)史，激起學(xué)生對(duì)ATP 的學(xué)習(xí)興趣，并且指出ATP 與糖類和脂肪都是能源物質(zhì)，引出下面的探究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.2 科學(xué)探究ATP 是能量“貨幣”，發(fā)展科學(xué)思維

探究ATP 是直接能源物質(zhì)，而糖類和脂肪不是直接能源物質(zhì)的活動(dòng)，是引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)科學(xué)探究、形成科學(xué)思維的良好素材。學(xué)生可以在探究過(guò)程中逐步發(fā)展科學(xué)思維。通過(guò)教材“問(wèn)題探討”欄目的螢火蟲(chóng)情境切入本課題，圍繞“到底是什么物質(zhì)能讓螢火蟲(chóng)發(fā)光”的問(wèn)題進(jìn)行探究，把科學(xué)探究的一般步驟作為主線，設(shè)置任務(wù)、問(wèn)題串驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)展開(kāi)思維探究，體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程（如圖1）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生的自主探究能力和思維能力的培養(yǎng)滲透于具體情境活動(dòng)中。伴隨探究熒光素在熒光素酶的催化作用下，熒光素在哪種物質(zhì)提供能量前提下被激活，與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成氧化熒光素并發(fā)出熒光？學(xué)生在問(wèn)題、資料分析、任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下自主探究，深刻認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的一般步驟，體會(huì)其過(guò)程；通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究解決新課導(dǎo)入時(shí)提出的問(wèn)題，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)ATP 的興趣，自然過(guò)渡到ATP 結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，有效深化結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念。

3.3 自制ATP 的結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建結(jié)構(gòu)與功能觀

教師課前布置任務(wù)，讓學(xué)生自主合作，選擇合適的材料嘗試構(gòu)建ATP 的結(jié)構(gòu)模型并制作成實(shí)物；直觀展示教材旁欄的“相關(guān)信息”中ATP 的結(jié)構(gòu)式（如圖2），并與教師挑選的模型進(jìn)行對(duì)比，再按照學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律設(shè)置問(wèn)題串：①結(jié)合ATP 的結(jié)構(gòu)式能否說(shuō)出其元素組成、中文名稱及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式中各字母和符號(hào)的含義。②類比腺苷三磷酸的模型，腺苷連接兩個(gè)磷酸基團(tuán)和連接一個(gè)磷酸基團(tuán)形成的化合物又分別叫什么？ ③根據(jù)已有的知識(shí)核查構(gòu)建的模型，反思有沒(méi)有需要修改的地方。④思考特殊化學(xué)鍵具有的較高轉(zhuǎn)移勢(shì)能是ATP 能為螢火蟲(chóng)直接供能的關(guān)鍵，它是如何為細(xì)胞代謝提供能量的？

圖2 ATP 的結(jié)構(gòu)式

學(xué)生在問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下自主學(xué)習(xí)后，選派小組代表對(duì)小組得到的答案進(jìn)行逐一展示。學(xué)生在完成了前兩個(gè)問(wèn)題的探究后，可以很好地理解ATP、ADP 和AMP 與RNA 的基本單位之一——腺嘌呤核糖核苷酸的區(qū)別；強(qiáng)調(diào)ATP 中三個(gè)磷酸基團(tuán)的負(fù)電荷之間相互排斥等原因?qū)е履┒肆姿峄鶊F(tuán)具有較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能。教師通過(guò)修正模型并展示ATP 為Ca2+載體蛋白磷酸化導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)改變后為主動(dòng)運(yùn)輸離子供能的過(guò)程示意圖，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)ATP 供能機(jī)制的理解和鞏固。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)親自構(gòu)建模型，讓學(xué)生在“做”中學(xué)，深化理解ATP 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。再通過(guò)與RNA 結(jié)構(gòu)的比較，可以順利完成新舊知識(shí)的交接。教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主體性能夠很好的結(jié)合，知識(shí)的預(yù)設(shè)和生成也實(shí)現(xiàn)了完美結(jié)合。同時(shí)，通過(guò)對(duì)自制模型的修正以及對(duì)ATP 參與主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程的實(shí)例的了解，可以鞏固ATP 的磷酸基團(tuán)之間的特殊化學(xué)鍵與能量的關(guān)系，發(fā)展結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念。

3.4 資料分析，明確ATP 和ADP 相互轉(zhuǎn)化的意義

3.4.1 展示資料，提出問(wèn)題

資料1：一個(gè)成年人在靜止的狀態(tài)下，24 h 內(nèi)竟有40 kg 的ATP 發(fā)生轉(zhuǎn)化；在劇烈運(yùn)動(dòng)的情況下，ATP 的消耗約達(dá)0.5 kg/min。而人體中ATP 的總量只有大約2 mg,劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)只能維持3 s。如何解決這一矛盾呢？資料2：在某細(xì)胞培養(yǎng)液中加入32P（31P 的同位素）標(biāo)記的磷酸分子，短時(shí)間內(nèi)分離出細(xì)胞中的ATP，發(fā)現(xiàn)其含量變化不大，但部分ATP的末端磷酸基團(tuán)已帶上放射性標(biāo)記。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：ATP 的末端磷酸基團(tuán)為什么會(huì)出現(xiàn)放射性標(biāo)記？根據(jù)構(gòu)建的自制ATP 結(jié)構(gòu)模型，教師請(qǐng)學(xué)生代表講解ATP 的水解和合成的過(guò)程。教師先對(duì)學(xué)生的闡述給予肯定與評(píng)價(jià)，再指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材相關(guān)文字并回答資料后的思考問(wèn)題。學(xué)生閱讀資料后得出ATP 在細(xì)胞內(nèi)含量很少但機(jī)體對(duì)其需求量很大的結(jié)論，理解ATP 和ADP 可以快速相互轉(zhuǎn)化是解決能量供需矛盾的關(guān)鍵，建立細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)和平衡觀。教師最后總結(jié)：細(xì)胞單位時(shí)間內(nèi)需要的能量多少是由ATP 和ADP 相互轉(zhuǎn)化速度的快慢決定，ATP 的含量處于動(dòng)態(tài)平衡之中。

3.4.2 ATP 與ADP 的相互轉(zhuǎn)化屬于不可逆反應(yīng)

教師繼續(xù)設(shè)問(wèn)：在ADP 轉(zhuǎn)化成ATP 的過(guò)程中，所需要的能量從哪里來(lái)呢？老師解釋：脂肪或糖類中的穩(wěn)定的化學(xué)能通過(guò)呼吸作用（放能反應(yīng)）釋放出來(lái)用于合成ATP，也可以通過(guò)光合作用中的光能轉(zhuǎn)化。ATP 水解的能量用于各種生命活動(dòng)（吸能反應(yīng)），例如主動(dòng)運(yùn)輸。然后進(jìn)一步從反應(yīng)所需的酶的種類不同、ATP 合成與水解的場(chǎng)所不同等角度解釋ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化是不可逆反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)資料分析，引出層層問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力；學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)得出結(jié)論，培養(yǎng)其獨(dú)立思考的能力。構(gòu)建并完善ATP 與ADP 的相互轉(zhuǎn)化模式（如圖3），形成正確的穩(wěn)態(tài)與平衡觀的生命觀念。

圖3 ATP 與ADP 相互轉(zhuǎn)化示意圖

3.5 通過(guò)ATP 的利用及實(shí)踐應(yīng)用，感悟生命提升社會(huì)責(zé)任

教師追問(wèn)學(xué)生：ATP 除了可以為螢火蟲(chóng)的發(fā)光提供能量外，還可以為哪些生命活動(dòng)提供能量？學(xué)生可自主閱讀教材ATP 的利用后舉例，并要求其對(duì)感興趣例子進(jìn)行補(bǔ)充和完善。教師引導(dǎo)學(xué)生一起歸納總結(jié)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移：各種生物的細(xì)胞內(nèi)各種生命活動(dòng)都以ATP 作為能量“貨幣”，說(shuō)明了生物進(jìn)化的統(tǒng)一性，感悟生命意義。最后課件展示ATP 熒光檢測(cè)儀在醫(yī)藥衛(wèi)生、工業(yè)水處理、啤酒釀造過(guò)程中污染微生物數(shù)量和脫水蔬菜及調(diào)味品的含菌量等方面的應(yīng)用，感受科學(xué)技術(shù)在生活中的實(shí)際運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)追問(wèn)，提高學(xué)生對(duì)ATP 在各種生物細(xì)胞的生命活動(dòng)中利用的理解，進(jìn)一步感悟能量“貨幣”意境。同時(shí)，展示ATP 在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，倡導(dǎo)創(chuàng)新思維，提升學(xué)生社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

4.教學(xué)反思

人教版普通高中教科書(shū)生物學(xué)（2019 年版）拋棄了ATP 中高能磷酸鍵的說(shuō)法，強(qiáng)調(diào)了其特殊化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)移勢(shì)能。ATP 中末端磷酸基團(tuán)（或磷酸）的“得”與“失”是其作為能量“貨幣”的關(guān)鍵，因此，教師可以在教學(xué)中巧妙地將教材“ATP 的利用”中ATP 參與Ca2+主動(dòng)運(yùn)輸示意圖前移，作為實(shí)例具體解釋ATP 水解供能的實(shí)質(zhì)就是載體蛋白的磷酸化而導(dǎo)致構(gòu)象發(fā)生改變，引起活性改變，從而完成離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程。這樣的教學(xué)處理既加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)ATP 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移勢(shì)能的認(rèn)識(shí)，又彌補(bǔ)了2019 年之前的人教版教材中缺乏解釋ATP 如何直接供能的內(nèi)容，從而凸顯新版教材中隱含的物質(zhì)與能量觀的生命觀念。接著，除了教材所舉實(shí)例，還可以引導(dǎo)學(xué)生回憶分泌蛋白合成和運(yùn)輸?shù)葍?nèi)容介紹的“ATP 的利用”。最后，通過(guò)細(xì)胞中的吸能反應(yīng)與ATP 的水解相聯(lián)系、放能反應(yīng)與ATP 合成相聯(lián)系，類比等摩爾葡萄糖所含能量多且穩(wěn)定，ATP 中能量是活躍化學(xué)能等，讓學(xué)生繼續(xù)鞏固本節(jié)重要概念——ATP是細(xì)胞能量“貨幣”。

另外，本節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)嘗試體現(xiàn)《課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)的三大理念：面向全體學(xué)生、培養(yǎng)和提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)、倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是科學(xué)教育最根本的任務(wù)。在ATP 模型制作的活動(dòng)中，教師引導(dǎo)學(xué)生積極動(dòng)手參與；充分發(fā)揮小組探究活動(dòng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)做好分工，相互合作，確保每一個(gè)學(xué)生參與其中；ATP 和ADP的相互轉(zhuǎn)化內(nèi)容教師可以在自主閱讀教材的基礎(chǔ)上由學(xué)生來(lái)講，其他學(xué)生補(bǔ)充；關(guān)于ATP 的利用舉例，教師要充分挖掘?qū)W生潛能，發(fā)動(dòng)學(xué)生討論，讓學(xué)生在思辨中實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的全面理解和知識(shí)體系的構(gòu)建。