基于学科核心素养培养的“细胞的能量‘货币’ATP”一节的教学设计

安徽

1.教材分析及设计思路

“细胞的能量‘货币’ATP”是人教版普通高中教科书生物学（2019 年版）必修1《分子与细胞》第5 章“细胞的能量供应和利用”第2 节的内容。教材以ATP 的结构介绍、ATP与ADP相互转化和ATP的利用的顺序进行布局，ATP 的水解与合成是ATP 与ADP 相互转化的结构基础，ATP 的利用是建立在ATP 与ADP 相互转化上的。教材整体编排上，本节位于“降低化学反应活化能的酶”之后，“细胞呼吸的原理和应用”的内容之前，在第5 章的知识体系中具有承上启下的重要作用。

学生已经学习过细胞中能源物质糖类和脂肪、“动力车间”线粒体、“能量转换站”叶绿体以及主动运输消耗ATP 等知识，所以本节课的教学重点是以解释ATP 为直接能源物质为依托，培养学生的实验与探究能力，以及在科学研究中勇于质疑、严谨的科学态度。《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》以下简称《课程标准》对课堂教学提出要求：生物学课程要求学生主动地参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力。基于以上考虑，本节课的教学设计围绕三个方面展开：

1.1 构建模型，深化结构与功能观

教师提出糖类和脂肪是能源物质，但是不能为细胞的各项生命活动直接供能，驱动细胞生命活动的直接能源物质是ATP，有利于学生形成正确的结构与功能观。

1.2 开展探究活动，促进科学思维的形成

以探究萤火虫发光实验为例，教师提供相关实验材料创设情境，让学生以小组合作学习的形式进行实验，激发其探究热情，引导学生发展科学思维，开展实验解答疑惑，在实践中探索真知，有利于形成ATP 和ADP 相互转化的稳态与平衡观。

1.3 培养社会责任，实现育人价值

教师适当补充科学家发现ATP 和对其研究的过程以及ATP 的实际应用，激发学生对科学的热爱，认同科学研究需要大胆质疑并勇于实践的科学精神，将“立德树人”切实落实到课堂教学中。

2.教学目标

依据《课程标准》的内容要求、学业要求及围绕培养学生学科核心素养的要求，笔者制订了如下的教学目标：

（1）通过自制教具构建ATP 的结构简式，发展学生结构与功能相适应的生命观念。

（2）通过资料分析培养学生分析问题、解决问题的能力，在探究实验的设计、交流、讨论中提高科学思维和科学探究的能力。

（3）通过感受与ATP 相关的科学技术在生活中的实际运用，培养学生的社会责任感。

3.教学过程

3.1 创设诺贝尔奖情境，导入新课

教师介绍：1997 年诺贝尔化学奖一半授予美国生物化学家保罗·波耶尔（Paul D.Boyer）和英国化学家沃克（John E.Walker），以表彰他们在研究产生储能分子ATP的酶催化过程中的开创性贡献；另一半授予丹麦生物化学家詹斯·斯科（Jens C.Skou），因为他发现了一种被称为钠钾激活的腺苷三磷酸——钠钾ATP 酶（Na+-K+ATPase）。ATP 是所有生物细胞新陈代谢过程的“燃料”。

抛出问题：ATP 究竟有何魅力吸引着各国科学家对其研究？它与能源物质糖类和脂肪有什么关系呢？今天就让我们一起走近ATP。

设计意图：通过展示重要科学发现的诺贝尔奖，引导学生重温相关科学史，激起学生对ATP 的学习兴趣，并且指出ATP 与糖类和脂肪都是能源物质，引出下面的探究实验内容。

3.2 科学探究ATP 是能量“货币”，发展科学思维

探究ATP 是直接能源物质，而糖类和脂肪不是直接能源物质的活动，是引导学生展开科学探究、形成科学思维的良好素材。学生可以在探究过程中逐步发展科学思维。通过教材“问题探讨”栏目的萤火虫情境切入本课题，围绕“到底是什么物质能让萤火虫发光”的问题进行探究，把科学探究的一般步骤作为主线，设置任务、问题串驱动学生主动展开思维探究，体验科学探究的过程（如图1）。

设计意图：学生的自主探究能力和思维能力的培养渗透于具体情境活动中。伴随探究荧光素在荧光素酶的催化作用下，荧光素在哪种物质提供能量前提下被激活，与氧气发生反应形成氧化荧光素并发出荧光？学生在问题、资料分析、任务的驱动下自主探究，深刻认识科学探究的一般步骤，体会其过程；通过实验探究解决新课导入时提出的问题，进一步激发学生对ATP 的兴趣，自然过渡到ATP 结构的学习，有效深化结构与功能相适应的观念。

3.3 自制ATP 的结构模型，构建结构与功能观

教师课前布置任务，让学生自主合作，选择合适的材料尝试构建ATP 的结构模型并制作成实物；直观展示教材旁栏的“相关信息”中ATP 的结构式（如图2），并与教师挑选的模型进行对比，再按照学生认知发展规律设置问题串：①结合ATP 的结构式能否说出其元素组成、中文名称及结构简式中各字母和符号的含义。②类比腺苷三磷酸的模型，腺苷连接两个磷酸基团和连接一个磷酸基团形成的化合物又分别叫什么？ ③根据已有的知识核查构建的模型，反思有没有需要修改的地方。④思考特殊化学键具有的较高转移势能是ATP 能为萤火虫直接供能的关键，它是如何为细胞代谢提供能量的？

图2 ATP 的结构式

学生在问题的驱动下自主学习后，选派小组代表对小组得到的答案进行逐一展示。学生在完成了前两个问题的探究后，可以很好地理解ATP、ADP 和AMP 与RNA 的基本单位之一——腺嘌呤核糖核苷酸的区别；强调ATP 中三个磷酸基团的负电荷之间相互排斥等原因导致末端磷酸基团具有较高的转移势能。教师通过修正模型并展示ATP 为Ca2+载体蛋白磷酸化导致其结构改变后为主动运输离子供能的过程示意图，加强学生对ATP 供能机制的理解和巩固。

设计意图：通过亲自构建模型，让学生在“做”中学，深化理解ATP 的结构特点。再通过与RNA 结构的比较，可以顺利完成新旧知识的交接。教师的主导性和学生的主体性能够很好的结合，知识的预设和生成也实现了完美结合。同时，通过对自制模型的修正以及对ATP 参与主动运输过程的实例的了解，可以巩固ATP 的磷酸基团之间的特殊化学键与能量的关系，发展结构与功能相适应的观念。

3.4 资料分析，明确ATP 和ADP 相互转化的意义

3.4.1 展示资料，提出问题

资料1：一个成年人在静止的状态下，24 h 内竟有40 kg 的ATP 发生转化；在剧烈运动的情况下，ATP 的消耗约达0.5 kg/min。而人体中ATP 的总量只有大约2 mg,剧烈运动时只能维持3 s。如何解决这一矛盾呢？资料2：在某细胞培养液中加入32P（31P 的同位素）标记的磷酸分子，短时间内分离出细胞中的ATP，发现其含量变化不大，但部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记。教师引导学生思考：ATP 的末端磷酸基团为什么会出现放射性标记？根据构建的自制ATP 结构模型，教师请学生代表讲解ATP 的水解和合成的过程。教师先对学生的阐述给予肯定与评价，再指导学生阅读教材相关文字并回答资料后的思考问题。学生阅读资料后得出ATP 在细胞内含量很少但机体对其需求量很大的结论，理解ATP 和ADP 可以快速相互转化是解决能量供需矛盾的关键，建立细胞内的稳态和平衡观。教师最后总结：细胞单位时间内需要的能量多少是由ATP 和ADP 相互转化速度的快慢决定，ATP 的含量处于动态平衡之中。

3.4.2 ATP 与ADP 的相互转化属于不可逆反应

教师继续设问：在ADP 转化成ATP 的过程中，所需要的能量从哪里来呢？老师解释：脂肪或糖类中的稳定的化学能通过呼吸作用（放能反应）释放出来用于合成ATP，也可以通过光合作用中的光能转化。ATP 水解的能量用于各种生命活动（吸能反应），例如主动运输。然后进一步从反应所需的酶的种类不同、ATP 合成与水解的场所不同等角度解释ATP与ADP的相互转化是不可逆反应。

设计意图：通过资料分析，引出层层问题，培养学生分析和解决问题的能力；学生通过自主学习得出结论，培养其独立思考的能力。构建并完善ATP 与ADP 的相互转化模式（如图3），形成正确的稳态与平衡观的生命观念。

图3 ATP 与ADP 相互转化示意图

3.5 通过ATP 的利用及实践应用，感悟生命提升社会责任

教师追问学生：ATP 除了可以为萤火虫的发光提供能量外，还可以为哪些生命活动提供能量？学生可自主阅读教材ATP 的利用后举例，并要求其对感兴趣例子进行补充和完善。教师引导学生一起归纳总结，实现知识的迁移：各种生物的细胞内各种生命活动都以ATP 作为能量“货币”，说明了生物进化的统一性，感悟生命意义。最后课件展示ATP 荧光检测仪在医药卫生、工业水处理、啤酒酿造过程中污染微生物数量和脱水蔬菜及调味品的含菌量等方面的应用，感受科学技术在生活中的实际运用，培养学生社会责任感。

设计意图：通过追问，提高学生对ATP 在各种生物细胞的生命活动中利用的理解，进一步感悟能量“货币”意境。同时，展示ATP 在现实生产生活中的应用，倡导创新思维，提升学生社会责任意识。

4.教学反思

人教版普通高中教科书生物学（2019 年版）抛弃了ATP 中高能磷酸键的说法，强调了其特殊化学键的转移势能。ATP 中末端磷酸基团（或磷酸）的“得”与“失”是其作为能量“货币”的关键，因此，教师可以在教学中巧妙地将教材“ATP 的利用”中ATP 参与Ca2+主动运输示意图前移，作为实例具体解释ATP 水解供能的实质就是载体蛋白的磷酸化而导致构象发生改变，引起活性改变，从而完成离子跨膜转运的过程。这样的教学处理既加强了学生对ATP 结构的转移势能的认识，又弥补了2019 年之前的人教版教材中缺乏解释ATP 如何直接供能的内容，从而凸显新版教材中隐含的物质与能量观的生命观念。接着，除了教材所举实例，还可以引导学生回忆分泌蛋白合成和运输等内容介绍的“ATP 的利用”。最后，通过细胞中的吸能反应与ATP 的水解相联系、放能反应与ATP 合成相联系，类比等摩尔葡萄糖所含能量多且稳定，ATP 中能量是活跃化学能等，让学生继续巩固本节重要概念——ATP是细胞能量“货币”。

另外，本节的教学设计尝试体现《课程标准》倡导的三大理念：面向全体学生、培养和提高学生的生物科学素养、倡导探究性学习。培养学生的科学素养是科学教育最根本的任务。在ATP 模型制作的活动中，教师引导学生积极动手参与；充分发挥小组探究活动教学的优势，实验设计时做好分工，相互合作，确保每一个学生参与其中；ATP 和ADP的相互转化内容教师可以在自主阅读教材的基础上由学生来讲，其他学生补充；关于ATP 的利用举例，教师要充分挖掘学生潜能，发动学生讨论，让学生在思辨中实现对知识的全面理解和知识体系的构建。