秦海峰

(江蘇省如皋市長江高級中學(xué) 如皋 226532)

1 教材分析

“細(xì)胞的能量‘通貨’——ATP”是人教版高中生物學(xué)教材《分子與細(xì)胞》第5章第2節(jié)的內(nèi)容，包括ATP的組成和結(jié)構(gòu)、ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化以及ATP的利用三大部分。其與前面所學(xué)的糖類、脂肪等能源物質(zhì)有一定的聯(lián)系[1]。與第5章細(xì)胞呼吸、光合作用也有一定的關(guān)聯(lián)。本節(jié)篇幅雖不大，但能幫助學(xué)生樹立正確的“結(jié)構(gòu)與功能”“物質(zhì)與能量”的生命觀念。內(nèi)容簡單，但比較枯燥，學(xué)生不易理解“ATP是直接的能源物質(zhì)”和“ATP是細(xì)胞的能量‘通貨’”。

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)要求及學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過構(gòu)建ATP模型，形成ATP的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

(2) 通過探究實(shí)驗(yàn)分析，提升科學(xué)思維能力。

(3) 初步學(xué)會基于“物質(zhì)和能量觀”解釋生命現(xiàn)象。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)問激疑 播放導(dǎo)入視頻(?電子資源)，視頻內(nèi)容為： 唐代詩人李白曾寫過的一首詩，“雨打燈難滅，風(fēng)吹色更明。若非天上去，定作月邊星?！痹诠糯?，真有這樣的神燈嗎？雨打難滅，風(fēng)吹更明。其實(shí)，這首詩描寫的是一種昆蟲，那么究竟是哪一種昆蟲呢？相信你一定猜到了。沒錯，這首《詠螢火》描寫的正是螢火蟲。螢火蟲的腹部會發(fā)出微小的光亮，就好像是掛了一盞小燈籠。寧靜的夏夜，草叢中熒光閃閃，確實(shí)如天空中繁星點(diǎn)點(diǎn)。就讓我們追隨這些微小但靈動的光芒，進(jìn)入螢火蟲的奇妙世界。那么螢火蟲發(fā)光的秘密是什么呢？螢火蟲體內(nèi)有特殊的發(fā)光物質(zhì)嗎？螢火蟲發(fā)光的過程究竟有什么物質(zhì)變化？這一過程又有怎樣的能量轉(zhuǎn)換呢？就讓我們通過下面的探究實(shí)驗(yàn)探索其中的奧秘吧！

設(shè)計(jì)意圖： 吸引學(xué)生注意，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，引入探究實(shí)驗(yàn)。

3.2 探究實(shí)驗(yàn)分析，理解ATP是直接的能源物質(zhì) 通過無線同屏技術(shù)，演示手機(jī)App科學(xué)小助手中的螢火蟲發(fā)光探究實(shí)驗(yàn)視頻。實(shí)驗(yàn)一： 先用小刀將數(shù)十只螢火蟲發(fā)光器割下，干燥后研磨成粉末，取兩等份，分別裝入兩支試管，各加入少量水，使之混合置于暗處，可見試管內(nèi)有淡黃色熒光出現(xiàn)，約過15分鐘熒光消失。實(shí)驗(yàn)二： 一支試管中滴加兩滴葡萄糖溶液，另一支試管中滴加等量的ATP溶液，結(jié)果滴加葡萄糖的試管沒有出現(xiàn)熒光，而滴加ATP的試管卻出現(xiàn)熒光。然后引導(dǎo)學(xué)生從能量的角度考慮，小組討論螢火蟲發(fā)光實(shí)驗(yàn)中的問題： ①實(shí)驗(yàn)一試管內(nèi)為什么會有熒光出現(xiàn)?為什么熒光又會消失呢？②實(shí)驗(yàn)二滴加葡萄糖的試管內(nèi)沒有出現(xiàn)熒光，而滴加ATP的試管內(nèi)卻出現(xiàn)熒光，實(shí)驗(yàn)可以得出什么結(jié)論？要求： 把答案拍照上傳至云平臺展示。

設(shè)計(jì)意圖： 通過對探究實(shí)驗(yàn)的分析，令學(xué)生明白糖類不能為螢火蟲發(fā)光直接供能，但ATP能直接供能。力圖幫助學(xué)生直觀理解“ATP是直接的能源物質(zhì)”，突破教學(xué)難點(diǎn)。

3.3 ATP在細(xì)胞中的含量 教師設(shè)問： 夏夜，我們看到螢火蟲在夜空中飛舞著、閃爍著，應(yīng)該需要很多能量，所以也應(yīng)該需要很多ATP。那么它小小的身軀如何能秘藏有大量的ATP？如果螢火蟲體內(nèi)真有大量的ATP,它又如何能輕盈地飛舞于夜空呢？奇妙的生物體在長期的演化中找到了什么辦法來解決這一難題，從而讓螢火蟲能星光熠熠地輕舞飛揚(yáng)的呢？請學(xué)生閱讀并分析資料： 人體內(nèi)約有ATP 0.5 kg。成年人所有細(xì)胞內(nèi)ATP和ADP的總量僅有2.0×10-6～1.0×10-5kg。一個正常成年人在平靜狀態(tài)下24 h消耗40 kg ATP，在劇烈運(yùn)動狀態(tài)下，每分鐘約有0.5 kg的ATP分解釋放能量，供運(yùn)動所需。

通過分析資料，學(xué)生得出結(jié)論： ATP在細(xì)胞中的含量確實(shí)很少，但需求量卻很大。教師總結(jié)并設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生： 螢火蟲也是這樣，細(xì)胞內(nèi)的ATP含量很少，但它發(fā)光所需的ATP卻很多，這實(shí)在是讓人匪夷所思了，如何化解這一矛盾？其中的秘密一定藏在ATP分子結(jié)構(gòu)中。

設(shè)計(jì)意圖： 引發(fā)學(xué)生思考，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識。

3.4 ATP能提供大量能量的秘密 具體教學(xué)設(shè)計(jì)過程如下：

3.4.1 ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 教師先向?qū)W生介紹普通化學(xué)鍵和高能磷酸鍵各自的化學(xué)本質(zhì)，然后設(shè)置問題串：“為什么ATP能作為直接能源物質(zhì)呢？它究竟是什么物質(zhì)？又有什么結(jié)構(gòu)特點(diǎn)呢？為什么它被稱為ATP呢？”引入構(gòu)建ATP結(jié)構(gòu)模型的小組活動?；顒右螅?第1、 3、 5、 7組在紙上畫出ATP結(jié)構(gòu)簡圖，第2、 4、 6、 8組用所給ATP模型紙片材料(圖1)拼出ATP結(jié)構(gòu)模型，最后用手機(jī)或平板電腦拍照并上傳至云平臺。經(jīng)師生討論，讓學(xué)生再對自己搭建的ATP結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行修正。

圖1 ATP模型紙片材料

教師提出問題：“結(jié)構(gòu)上看，ATP是一種高能磷酸化合物，含有高能磷酸鍵。那么，儲存在高能磷酸鍵中的能量是怎樣釋放出來的呢？”引入ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化。播放“ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化視頻”(?電子資源)，視頻內(nèi)容為： ATP的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。在有關(guān)酶的催化作用下，ATP分子中遠(yuǎn)離腺苷的那個高能磷酸鍵很容易水解，儲存在這個高能磷酸鍵中的能量釋放出來，同時(shí)，遠(yuǎn)離腺苷的那個磷酸基團(tuán)就脫離開來，形成游離的磷酸(Pi)，這樣，ATP就轉(zhuǎn)化成二磷酸腺苷(英文名稱縮寫ADP)。而在有關(guān)酶的催化作用下，ADP可以接受能量，同時(shí)與一個游離的磷酸結(jié)合，重新形成ATP。這就是ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化。

設(shè)計(jì)意圖： 培養(yǎng)學(xué)生合作學(xué)習(xí)的能力，提升學(xué)生“模型與建?！钡目茖W(xué)思維素養(yǎng)。

3.4.2 ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的特點(diǎn) 提供資料： 用32P標(biāo)記磷酸加入細(xì)胞培養(yǎng)液中，盡管短時(shí)間后ATP的總量變化并不大，但是大部分ATP末端磷酸基團(tuán)卻已經(jīng)帶有放射性標(biāo)記。

從該資料，同學(xué)們能分析出生物體是如何解決細(xì)胞內(nèi)ATP含量少、但需求量大這一矛盾的嗎？

學(xué)生得出結(jié)論： ATP與ADP是可以相互轉(zhuǎn)化的，并且這種轉(zhuǎn)化十分迅速，細(xì)胞內(nèi)的ATP含量始終處于動態(tài)平衡之中，從而保證了細(xì)胞內(nèi)能量的持續(xù)供應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖： 引發(fā)學(xué)生自主思考，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力。

3.5 ATP的來源 教師設(shè)疑： 細(xì)胞內(nèi)ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的能量供應(yīng)機(jī)制，是生物界的共性。那么，在ADP轉(zhuǎn)化成ATP的過程中，所需要的能量從哪里來呢？

學(xué)生通過閱讀教材89頁ADP轉(zhuǎn)化成ATP時(shí)所需能量主要來源的相關(guān)文字和圖示，可以回答上面的問題，即對于動物、人、真菌和大多數(shù)細(xì)菌來說，均來自細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用時(shí)有機(jī)物分解所釋放的能量；對于綠色植物來說，除了依賴呼吸作用所釋放的能量外，在葉綠體內(nèi)進(jìn)行光合作用時(shí)，ADP轉(zhuǎn)化為ATP還利用了光能。

設(shè)計(jì)意圖： 通過ADP向ATP轉(zhuǎn)化的過程，讓學(xué)生理解ATP中遠(yuǎn)離腺苷的高能磷酸鍵中的能量來自于光能和有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能，培養(yǎng)能量平衡觀。

3.6 ATP的利用 教師設(shè)疑： 在ADP轉(zhuǎn)化成ATP的過程中可釋放的能量，這些能量將直接用于哪些生命活動?學(xué)生思考后反饋： 主動運(yùn)輸、肌細(xì)胞收縮、大腦思考、各種吸能反應(yīng)、生物發(fā)電、發(fā)光，這就是ATP的利用。教師就本節(jié)課導(dǎo)入時(shí)的場景追問： 現(xiàn)在我們知道ATP水解可釋放能量用于發(fā)光等(如螢火蟲)。下面請從物質(zhì)和能量的角度解釋螢火蟲為什么能發(fā)出熒光。學(xué)生通過閱讀教材89頁“ATP利用”中螢火蟲發(fā)光原因的文字材料，回答： 螢火蟲尾部的發(fā)光細(xì)胞中含有熒光素和熒光素酶。熒光素接受ATP提供的能量后就被激活。在熒光素酶的催化作用下，激活的熒光素與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化熒光素，并發(fā)出熒光(圖2)。

圖2 螢火蟲發(fā)光原因示意圖

教師再回到本節(jié)課的導(dǎo)入場景——“雨打難滅，風(fēng)吹更明”的螢火的奧秘原來如此，與神奇的能量物質(zhì)ATP有關(guān)，并請學(xué)生看視頻。播放“能量通貨視頻”(?電子資源)，視頻內(nèi)容為： 細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)有些是需要吸收能量的，這樣的反應(yīng)我們稱為吸能反應(yīng)，所需的能量由ATP水解提供；還有些化學(xué)反應(yīng)是釋放能量的，這樣的反應(yīng)我們稱為放能反應(yīng)，這些反應(yīng)釋放的能量將用于ATP的合成，釋放的能量儲存在ATP。也就是說，能量通過ATP分子在吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)之間循環(huán)流通。因此，可以形象地把ATP比喻成細(xì)胞內(nèi)流通的能量“通貨”。

設(shè)計(jì)意圖： 通過解釋“螢火蟲為什么能發(fā)出熒光”，樹立學(xué)生的物質(zhì)與能量的生命觀念。通過視頻形象的展示，加深學(xué)生對ATP是能量“通貨”的理解。

3.7 課堂小結(jié) 學(xué)生根據(jù)ATP思維導(dǎo)圖框架圖(圖3)完善思維導(dǎo)圖，總結(jié)本課的內(nèi)容。

設(shè)計(jì)意圖： 讓學(xué)生通過思維導(dǎo)圖框架進(jìn)行課堂總結(jié)，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，鞏固所學(xué)知識。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課嘗試將生物學(xué)核心素養(yǎng)與生命科學(xué)趣味融合在教學(xué)中，吸引學(xué)生的注意，激發(fā)學(xué)生興趣。以“螢火蟲發(fā)出熒光”作為主線，聚焦生物學(xué)核心素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生以“自主、合作、探究”的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)。若能就ATP的合成與ATP的水解過程從各個角度比較，并進(jìn)一步就兩者是否是可逆反應(yīng)進(jìn)行辨析，將有助于提升學(xué)生的科學(xué)思維的能力。