安徽

1.教材分析及設(shè)計思路

“細胞的能量‘貨幣’ATP”是人教版普通高中教科書生物學(xué)（2019 年版）必修1《分子與細胞》第5 章“細胞的能量供應(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，“細胞呼吸的原理和應(yīng)用”的內(nèi)容之前，在第5 章的知識體系中具有承上啟下的重要作用。

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過細胞中能源物質(zhì)糖類和脂肪、“動力車間”線粒體、“能量轉(zhuǎn)換站”葉綠體以及主動運輸消耗ATP 等知識，所以本節(jié)課的教學(xué)重點是以解釋ATP 為直接能源物質(zhì)為依托，培養(yǎng)學(xué)生的實驗與探究能力，以及在科學(xué)研究中勇于質(zhì)疑、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標準（2017 年版2020 年修訂）》以下簡稱《課程標準》對課堂教學(xué)提出要求：生物學(xué)課程要求學(xué)生主動地參與學(xué)習(xí)，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得生物學(xué)知識，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)新實踐能力?；谝陨峡紤]，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計圍繞三個方面展開：

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)，但是不能為細胞的各項生命活動直接供能，驅(qū)動細胞生命活動的直接能源物質(zhì)是ATP，有利于學(xué)生形成正確的結(jié)構(gòu)與功能觀。

1.2 開展探究活動，促進科學(xué)思維的形成

以探究螢火蟲發(fā)光實驗為例，教師提供相關(guān)實驗材料創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生以小組合作學(xué)習(xí)的形式進行實驗，激發(fā)其探究熱情，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維，開展實驗解答疑惑，在實踐中探索真知，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)社會責任，實現(xiàn)育人價值

教師適當補充科學(xué)家發(fā)現(xiàn)ATP 和對其研究的過程以及ATP 的實際應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的熱愛，認同科學(xué)研究需要大膽質(zhì)疑并勇于實踐的科學(xué)精神，將“立德樹人”切實落實到課堂教學(xué)中。

2.教學(xué)目標

依據(jù)《課程標準》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：

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

（2）通過資料分析培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，在探究實驗的設(shè)計、交流、討論中提高科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力。

（3）通過感受與ATP 相關(guān)的科學(xué)技術(shù)在生活中的實際運用，培養(yǎng)學(xué)生的社會責任感。

3.教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)諾貝爾獎情境，導(dǎo)入新課

教師介紹：1997 年諾貝爾化學(xué)獎一半授予美國生物化學(xué)家保羅·波耶爾（Paul D.Boyer）和英國化學(xué)家沃克（John E.Walker），以表彰他們在研究產(chǎn)生儲能分子ATP的酶催化過程中的開創(chuàng)性貢獻；另一半授予丹麥生物化學(xué)家詹斯·斯科（Jens C.Skou），因為他發(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 是所有生物細胞新陳代謝過程的“燃料”。

拋出問題：ATP 究竟有何魅力吸引著各國科學(xué)家對其研究？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)計意圖：通過展示重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)的諾貝爾獎，引導(dǎo)學(xué)生重溫相關(guān)科學(xué)史，激起學(xué)生對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)，引出下面的探究實驗內(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，是引導(dǎo)學(xué)生展開科學(xué)探究、形成科學(xué)思維的良好素材。學(xué)生可以在探究過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維。通過教材“問題探討”欄目的螢火蟲情境切入本課題，圍繞“到底是什么物質(zhì)能讓螢火蟲發(fā)光”的問題進行探究，把科學(xué)探究的一般步驟作為主線，設(shè)置任務(wù)、問題串驅(qū)動學(xué)生主動展開思維探究，體驗科學(xué)探究的過程（如圖1）。

設(shè)計意圖：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)生在問題、資料分析、任務(wù)的驅(qū)動下自主探究，深刻認識科學(xué)探究的一般步驟，體會其過程；通過實驗探究解決新課導(dǎo)入時提出的問題，進一步激發(fā)學(xué)生對ATP 的興趣，自然過渡到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行對比，再按照學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律設(shè)置問題串：①結(jié)合ATP 的結(jié)構(gòu)式能否說出其元素組成、中文名稱及結(jié)構(gòu)簡式中各字母和符號的含義。②類比腺苷三磷酸的模型，腺苷連接兩個磷酸基團和連接一個磷酸基團形成的化合物又分別叫什么？ ③根據(jù)已有的知識核查構(gòu)建的模型，反思有沒有需要修改的地方。④思考特殊化學(xué)鍵具有的較高轉(zhuǎn)移勢能是ATP 能為螢火蟲直接供能的關(guān)鍵，它是如何為細胞代謝提供能量的？

圖2 ATP 的結(jié)構(gòu)式

學(xué)生在問題的驅(qū)動下自主學(xué)習(xí)后，選派小組代表對小組得到的答案進行逐一展示。學(xué)生在完成了前兩個問題的探究后，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；強調(diào)ATP 中三個磷酸基團的負電荷之間相互排斥等原因?qū)е履┒肆姿峄鶊F具有較高的轉(zhuǎn)移勢能。教師通過修正模型并展示ATP 為Ca2+載體蛋白磷酸化導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)改變后為主動運輸離子供能的過程示意圖，加強學(xué)生對ATP 供能機制的理解和鞏固。

設(shè)計意圖：通過親自構(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。再通過與RNA 結(jié)構(gòu)的比較，可以順利完成新舊知識的交接。教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主體性能夠很好的結(jié)合，知識的預(yù)設(shè)和生成也實現(xiàn)了完美結(jié)合。同時，通過對自制模型的修正以及對ATP 參與主動運輸過程的實例的了解，可以鞏固ATP 的磷酸基團之間的特殊化學(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，提出問題

資料1：一個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；在劇烈運動的情況下，ATP 的消耗約達0.5 kg/min。而人體中ATP 的總量只有大約2 mg,劇烈運動時只能維持3 s。如何解決這一矛盾呢？資料2：在某細胞培養(yǎng)液中加入32P（31P 的同位素）標記的磷酸分子，短時間內(nèi)分離出細胞中的ATP，發(fā)現(xiàn)其含量變化不大，但部分ATP的末端磷酸基團已帶上放射性標記。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：ATP 的末端磷酸基團為什么會出現(xiàn)放射性標記？根據(jù)構(gòu)建的自制ATP 結(jié)構(gòu)模型，教師請學(xué)生代表講解ATP 的水解和合成的過程。教師先對學(xué)生的闡述給予肯定與評價，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題。學(xué)生閱讀資料后得出ATP 在細胞內(nèi)含量很少但機體對其需求量很大的結(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，建立細胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)和平衡觀。教師最后總結(jié)：細胞單位時間內(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：在ADP 轉(zhuǎn)化成ATP 的過程中，所需要的能量從哪里來呢？老師解釋：脂肪或糖類中的穩(wěn)定的化學(xué)能通過呼吸作用（放能反應(yīng)）釋放出來用于合成ATP，也可以通過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（吸能反應(yīng)），例如主動運輸。然后進一步從反應(yīng)所需的酶的種類不同、ATP 合成與水解的場所不同等角度解釋ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化是不可逆反應(yīng)。

設(shè)計意圖：通過資料分析，引出層層問題，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力；學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)得出結(jié)論，培養(yǎng)其獨立思考的能力。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ATP 的利用及實踐應(yīng)用，感悟生命提升社會責任

教師追問學(xué)生：ATP 除了可以為螢火蟲的發(fā)光提供能量外，還可以為哪些生命活動提供能量？學(xué)生可自主閱讀教材ATP 的利用后舉例，并要求其對感興趣例子進行補充和完善。教師引導(dǎo)學(xué)生一起歸納總結(jié)，實現(xiàn)知識的遷移：各種生物的細胞內(nèi)各種生命活動都以ATP 作為能量“貨幣”，說明了生物進化的統(tǒng)一性，感悟生命意義。最后課件展示ATP 熒光檢測儀在醫(yī)藥衛(wèi)生、工業(yè)水處理、啤酒釀造過程中污染微生物數(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)在生活中的實際運用，培養(yǎng)學(xué)生社會責任感。

設(shè)計意圖：通過追問，提高學(xué)生對ATP 在各種生物細胞的生命活動中利用的理解，進一步感悟能量“貨幣”意境。同時，展示ATP 在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，倡導(dǎo)創(chuàng)新思維，提升學(xué)生社會責任意識。

4.教學(xué)反思

人教版普通高中教科書生物學(xué)（2019 年版）拋棄了ATP 中高能磷酸鍵的說法，強調(diào)了其特殊化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)移勢能。ATP 中末端磷酸基團（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+主動運輸示意圖前移，作為實例具體解釋ATP 水解供能的實質(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)運的過程。這樣的教學(xué)處理既加強了學(xué)生對ATP 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移勢能的認識，又彌補了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，除了教材所舉實例，還可以引導(dǎo)學(xué)生回憶分泌蛋白合成和運輸?shù)葍?nèi)容介紹的“ATP 的利用”。最后，通過細胞中的吸能反應(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是細胞能量“貨幣”。

另外，本節(jié)的教學(xué)設(shè)計嘗試體現(xiàn)《課程標準》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 模型制作的活動中，教師引導(dǎo)學(xué)生積極動手參與；充分發(fā)揮小組探究活動教學(xué)的優(yōu)勢，實驗設(shè)計時做好分工，相互合作，確保每一個學(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)生來講，其他學(xué)生補充；關(guān)于ATP 的利用舉例，教師要充分挖掘?qū)W生潛能，發(fā)動學(xué)生討論，讓學(xué)生在思辨中實現(xiàn)對知識的全面理解和知識體系的構(gòu)建。