提升学生理性思维的“细胞的能量通货-ATP”教学设计

2020-09-10蒋丽莉

高考·下 2020年6期

蒋丽莉

摘要：本文以“细胞的能量通货-ATP”一节为例，结合假说-演绎法、模型与建模、归纳与概括、逻辑与推理、迁移与应用等方法进行教学，有效提升学生理性思维。

关键词：理性思维;ATP;能量通货;教学设计

1.教材分析

细胞的能量“通货”——ATP是人教版高中生物必修一第五章第二节的教学内容，本节具有承上启下的作用：学生可以进一步理解能源物质对于需能生命活动如蛋白质合成加工、主动运输等的意义;加深理解把叶绿体、线粒体比喻为“能量转换站”和“动力车间”的含义，为后续学习光合作用与呼吸作用铺设能量主线，从而深刻领会活细胞生长、增殖等生命历程与能量的供应和利用分不开。教学中通过假说-演绎法、模型与建模、归纳与概括、逻辑与推理等方法提升学生理性思维，渗透物质与能量观、结构与功能观、进化与适应观等生命观念，从能量角度感受细胞的精、巧、美。

2.教学目标

（1）通过假说-演绎法得出ATP是细胞生命活动的直接能源。

（2）通过模型建构得出ATP的结构，体验建模思维，领悟模型与建模方法。

（3）根据材料，通过分析、比较、推理、归纳等方法构建ATP与ADP的转化模型，认同结构与能观、物质与能量观，体会细胞的精、巧、美。

（4）从ATP的供能机制的广泛性认同进化与适应观。

3.教学过程

3.1创设情境——激发思维

教师呈现一组生命与能量紧密相连的图片，引入能量对于细胞的重要性。给出资料：1mol葡萄糖彻底氧化分解释放能量数值及细胞中一些生命活动所需能量值。

3.2假说演绎——得出结论

问题引导：教室用大桶纯净水供水，每位同学的需求各不相同，该如何解决？学生提出用杯子，即将大桶的水分装到更小的容器，直接供水给每位同学。通过这种类比，学生推理出从葡萄糖氧化分解释放大量能量，到细胞各项耗能生命活动之间，应该有更小的结构或物质形成来直接供能，并假设这种结构或物质为X。教师呈现有关ATP的科学探究史，提出问题：ATP是否就是X？

学生活动1：作出假说，结合教师所给实验材料分组设计实验方案。所给材料：新鲜的蛙的坐骨神经——腓肠肌结构，锌铜弓（可对神经进行电刺激，引起肌肉收缩）、任氏液（能保持肌肉在离体条件下的生理活性）、葡萄糖溶液、ATP溶液。

学生活动2：小组代表上讲台汇报实验方案，并根据假说内容演绎推理出实验结果。要求：明确实验的设计原则，其他小组可以点评并完善。

小组形成最终方案即步骤1：将新鲜的坐骨神经——腓肠肌标本分为1、2、3三组，用记号笔在培养皿上做标记。步骤2：先用锌铜弓频繁刺激蛙的坐骨神经——腓肠肌，直至能量消耗完，肌肉不再收缩为止。步骤3：1、2、3三组中分别加入等量适宜的任氏液、葡萄糖溶液、ATP溶液。再次用锌铜弓刺激蛙的坐骨神经——腓肠肌，观察肌肉是否收缩。

最后一起观看教师完成的实验结果视频，证明假说：ATP就是X是成立的，即ATP是细胞的直接能源物质。自然引出对ATP功能的定义——细胞中的能量通货。

3.3问题引领——深入探究ATP

根据葡萄糖分解释放能量——ATP——供能各项生命活动，提出问题：1.ATP有怎样的结构？2.ATP如何直接供能？3.ATP如何形成？

3.3.1模型建构——解决问题1

学生活动3：以小组为单位，结合教师所给资料和信封中的材料进行合作探究

资料1：研究发现，1个ATP分子中含有1个腺嘌呤A，1个核糖，3个磷酸基团，其间有1个普通磷酸键，2个高能磷酸键。资料2：1个高能磷酸键中储存能量30.54kJ，大约是普通磷酸键储存能量的2-3倍，它能通过水解释放出来。资料3：高能磷酸键好像是被高度压缩的弹簧，蕴藏的能量并不稳定，水解放能时像是弹簧弹开，

每个小组的信封中含剪纸模型（可粘贴）：腺嘌呤1个、核糖1个、磷酸3个，高能磷酸键2个，1个普通磷酸键。活动要求：將其在白纸上按顺序粘贴，用笔画出其他各部分的化学键，构建ATP的结构模型。

学生活动4：小组代表展示模型并说出理由，同学互评。教师通过PPT将正确的模型转化为结构式，再简化为结构简式，学生自然地发现腺苷A与腺嘌呤A的区别。

学生活动5：根据结构简式，用中文命名ATP

3.3.2巧用模型——解决问题2

问题引导：ATP水解供能的过程中哪个高能磷酸键先断裂？学生利用建构的ATP分子模型进行演示，得出远离腺苷的那个优先水解。

3.3.3逻辑推理——解决问题3

资料4：一个人在剧烈运动状态下，每分钟约有0.5kg的ATP分解释放能量，供运动所需。一个成年人在安静的状态下，24h内有40kg的ATP被水解，但肌肉内ATP含量只能供肌肉收缩1～2s所需的能量。资料5：高能磷酸键易断裂，也容易形成。学生很快得出结论：ATP在细胞中含量少，ATP与ADP之间是相互转化的，且转化很快。

资料6：在漫长的进化过程中，ATP的转化作为一种优质的机制被保留下来。无论是复杂的高等动植物体中，还是在低等的原核生物细胞中都普遍存在，它建立了细胞之间、细胞与生物体之间、生物体与生态系统之间的能量关系，是生物界的共性。

3.3.4概念模型——理清能量主线

学生活动6：构建太阳光能、葡萄糖、ATP、ADP和Pi这几种能量或物质之间的概念关系模型。

3.4迁移应用——解决实际问题

资料7：由于微生物活细胞中含恒量的ATP，故ATP含量可以清晰地表明微生物含量的多少。ATP可以在荧光素酶的作用下与荧光素结合发生生物荧光，其强度与微生物数量呈比例关系。

学生活动7：结合资料尝试设计一种能快速检测物品表面微生物数量的仪器。

活动要求：能说出关键的原理即可。

4.教学反思

本节课的教学设计以能量供求矛盾吸引学生探究直接供能物质，再引导学生合作探究ATP的结构及供能机制，引导学生假说演绎、模型建构、逻辑推理、迁移应用，激发学生思维的碰撞，实现从感性思维到理性思维的飞跃，在解决问题中有效提升理性思维。

参考文献

[1]吴举宏.促进深度学习的中学生物学教学策略[J].生物学教学，2017，42（10）：18-20.

[2]彭菲菲.提升学生理性思维的“基因突变”教学设计[J].生物学教学，2018，43（5）：31-32.