基于生物学科核心素养的“细胞的能量通货—ATP”教学设计

秦海燕

1.教材内容分析

本节内容是人教版高中生物必修一《分子与细胞》第五章第二节的内容，主要包括ATP的分子结构及特点，ATP与ADP的相互转化，ATP的功能等内容。ATP是细胞的直接能源物质，学生在前面已经学习了细胞中的能源物质，以及细胞中与能量代谢有关的细胞结构，但是并不清楚糖类等能源物质是如何为细胞提供能量的，通过对本节内容的学习，可以让学生认识到细胞中普遍存在的功能机制。也可为后面光合作用以及呼吸作用的学习打下基础。笔者基于对学生核心素养培育，立足教材内容，调整教学顺序，从结构决定功能的思路设计本节课的教学策略。同时通过实验培养学生的科学探究能力，通过模型构建和问题引导培养学生的科学思维，通过情景导入培养学生热爱生命和自然的情感。

2.教学目标

生命观念目标：能用物质和能量观理解ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质；能用稳态与平衡观解释ATP和ADP的转化是十分迅速的。

科学思维目标：能掌握 ATP 的分子结构简式和特点；能理解 ATP 的化学组成及其在化学组成上与 RNA的关系。

社会责任目标：通过情境创设，激发学习兴趣，并渗透热爱自然和生命的情感教育；关注 ATP 在医学上的应用。

3.教学过程分析

3.1课堂导入：

通过《囊萤夜读》的小故事引出萤火虫发光，以及在很多的古诗词中都能看到萤火虫的身影，但是为什么我们现在生活的区域，萤火虫越来越少了？引起学生的学习兴趣，通过播放《萤火虫为什么越来越少了》的科普视频，让学生了解环境污染对萤火虫的影响。再通过课本上的问题探讨引出萤火虫发光的直接能源物质到底是什么？葡萄糖、脂肪还是其他物质？

设计意图：提高学生的求知欲，同时对学生进行热爱生命和自然的情感教育，增强学生的环保意识。

3.2探究实验分析

基于我们学生基础较薄弱的实际情况以及学校的实际教学条件，我们通过科学家的探究实验分析，精心设计问题来分析科学家设计实验的思路。

用小刀将数十只萤火虫的发光器割下，干燥后研磨成粉末，取四等份分别装入四只试管并编号1、2、3、4，各加入少量等量的蒸馏水使之混合，置于暗处，可见试管内有淡黄色荧光出现，约过15分钟后，荧光消失，然后分别向四只试管中加入5ml葡萄糖、5ml植物油（脂肪）、5mlATP制剂、5ml蒸馏水，观察现象。只有三号试管出现荧光，其他三只试管均无明显现象。

设问：（1）本实验中多个地方用到“等量”这个词，这体现了什么原则？（对照实验单一变量原则）

（2）本实验向四只试管中加蒸馏水后会发出荧光，这里的水有什么作用？（水作溶剂也可能参与化学反应）

（3）为什么要等到荧光消失后才开始后续操作？这一步有什么作用？（排除细胞内原有能源物质的干扰，荧光消失说明细胞内原有的能源物质被消耗完了）

（4）4号试管的作用是什么？（空白对照）

（5）四只试管对比后只有3号试管能出现荧光说明什么？（ATP是使萤火虫发光的直接能源物质，葡萄糖和脂肪不能被细胞直接利用）

教师解释：实际上，葡萄糖等能源物质中的能量必须先转换成ATP中的能量后才能被生物體利用。

设计意图：通过引导学生分析问题来培养学生的科学思维以及熟悉实验探究的一般方法。

3.3 介绍ATP的功能

除了萤火虫发光需要ATP直接供能以外，细胞中还有很多生命活动需要ATP直接供能。如电鳐放电、人和动物的各种运动（踢足球、打篮球、蝴蝶挥动翅膀）甚至大脑在思考问题的时候也利用了 ATP。细胞内的一些化学反应（合成蔗糖的反应）和主动运输的能量也来自 ATP。ATP 的能量可以转变为多种形式的其他能源，如光能、电能、渗透能、机械能、化学能。以霍金患有肌萎缩侧索硬化症，每天要注射三磷酸腺苷二钠为其肌肉供能为例，让学生了解ATP在医学上的应用。

设计意图：让学生明白ATP是所有细胞生命活动的直接能源物质。从结构决定功能的角度引导学生分析到底ATP具有怎么样的结构使得其能成为直接能源物质。同时让学生了解ATP在实际生活中的应用。

3.4 ATP结构模型的构建

请同学们先观察ATP 的结构式，从ATP的结构式总结ATP的组成元素，并联系前面所学，归纳含有相同元素组成的物质，如磷脂、核酸等都含有 C、H、O、N、P。

构建ATP的结构模型：

用五边形 的纸片来表示核糖，用长方形 纸片来表示腺嘌呤，用 表示磷酸基团。

首先建立一磷酸腺苷（AMP）的结构模型，说明它的结构简式为A-P。

引导学生回忆：大家有没有觉得好像在哪里见过这个物质呀？由此引出 RNA的基本结构单位之一腺嘌呤核糖核苷酸与AMP是同一物质。在AMP的基础上高能磷酸键连接磷酸基，构建二磷酸腺苷（ADP）和三磷酸腺苷（ATP）的结构模型。教师强调普通磷酸键和高能磷酸键的区别，同时介绍，高能磷酸键断裂时，大量的能量会释放出来。ATP可以水解，这实际上是指ATP分子中高能磷酸键的水解。高能磷酸键水解时释放的能量高达30.54KJ/mol，一般将水解时，释放能量在20.92kJ/mol以上的磷酸化合物就称为高能磷酸化合物，所以说ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物。

用回答问题的方式对ATP结构特点进行小结。教师再次强调：ATP 中有 1 个普通磷酸键、2 个高能磷酸键。ATP 中的 A 不是指腺嘌呤，而是腺苷（即腺嘌呤 + 核糖），因此 ATP 中文名是三磷酸腺苷。

设计意图：通过模型构建让学生理解ATP的结构特点以及ATP与RNA的关系。

3.5 ATP与ADP的相互转化

既然ATP是能源物质，那它的功能机制是怎样的？引导学生思考：ATP中含有两个高能磷酸键，在供能时到底断裂几个高能磷酸键？是不是类似燃烧那样，一下子全部释放所有能量？

老师介绍研究表明：ATP 一个明显的结构特点是远离腺苷（A）的那个高能磷酸键不稳定，易断裂，释放出大量能量供生命活动利用，但也容易形成。

讲解、演示ATP的断键方式，介绍ATP与ADP的相互转化过程，说明ATP的这种供能机制在真核生物、原核生物的细胞中普遍存在，是生物界的共性。

设计意图：让学生明白ATP的供能机制。

3.6 ATP是细胞内的能量通货

介绍政治课上的通货的含义，提出为什么把ATP比喻成通货？

出示资料1：一个正常人体内ATP和ADP的总量很少，基本保持在2～10mg不变，只能供肌肉收缩1～2s所需。但是一个成年人安静状态时，24h内竟有40kg的ATP发生转化。

通过资料1引导学生分析得出：ATP在细胞中的含量很少，但是消耗很多。再提出問题：细胞如何解决这样的矛盾？

学生可以通过前面学习的ATP与ADP的转化关系，想到通过ATP与ADP快速相互转化来实现。

出示资料2：在细胞内，1 mol 葡萄糖彻底氧化分解后，可释放出 2870 kJ 的能量，相当于 1 mol ATP 水解释放能量的 94 倍。

引导学生分析葡萄糖含的能量比ATP多得多，但是不适合做直接能源物质的原因。与能源物质葡萄糖相比，ATP 分子储存的能量虽少却很活跃，既为生命活动及时提供能量，又避免一时用不尽的能量白白流失掉。

这就好比是我们拿着大额支票与小额钞票去买东西一样，哪个更方便呢？大额支票虽然有价值，但是不具有广泛的流通性，大多数情况下你必须把它拿到银行去兑换出现金才能去消费。这里葡萄糖和脂肪就好比大额支票，细胞中的线粒体就像是银行，而ATP就类似于我们手里的钞票。所以我们形象的把ATP称为细胞中的能量通货。

设计意图：让学生理解ATP是细胞内能量通货，形成科学分析问题的能力，培养学生的科学思维。

4.教学反思

本节课教师采用了实验探究分析、模型构建、直观演示以及思维启发等基于生物学科核心素养培育的方式的进行了本节课的教学设计，照顾了生物学科核心素养的四个维度，制定合理的教学目标，并以教学目标为核心，选择合适教学情境和学生活动展开教学。在教学过程的布局上，教师不拘泥于教材安排，从结构决定功能的思路出发，充分调动了学生学习的积极性。但是仍然存在一些不足之处，例如虽然设计了一些环节让学生参与，但是课堂上应该更加关注学生，体现学生的主体性等。