“ATP的主要來源

晏何英

摘 要 在“ATP的主要來源——細胞呼吸”一課中，為了充分挖掘教學素材，融入6幅改編圖片豐富學生“自學”資源；結合問題設計遞進引導，通過“互學、領學”構建問題式課堂，強化了細胞呼吸核心概念，突破了呼吸過程的學習難點；最后得出“ATP的主要來源是細胞呼吸”的結論。這樣設計教學，增強了課堂的任務性，提高了課堂的師生互動性。

關鍵詞 教學設計 反思 細胞呼吸 ATP的主要來源

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 教材分析

“ATP的主要來源——細胞呼吸”是人教版普通高中生物課程必修1第五章第三節的內容。細胞呼吸是細胞新陳代謝的基本內容之一，它涵蓋了胞內物質、能量代謝，緊密聯系了“酶”和“ATP”，指明了“光合作用”形成糖類的部分去向。本節闡述了細胞呼吸、有氧呼吸、無氧呼吸、細胞呼吸原理及應用4個板塊的內容，呈現了“有氧呼吸過程圖解”，補充實驗“探究酵母菌細胞呼吸的方式”，涉及較多概念性知識和過程性知識，要求學生能理解有氧呼吸、無氧呼吸的過程，能將細胞呼吸原理在生產和生活中進行應用。

2 設計思路

“ATP的主要來源——細胞呼吸”是對ATP主要來源的總體評價，這需要學生仔細思辨、反復理解才能認同。思辨可借助若干問題作為載體，問題可從充分挖掘教學素材而生。對此，筆者基于問題進行本課的教學設計，突出“問題”層次性：學生“自學”時，能夠“發現問題”；“互學”時，希翼“解決問題”；“領學”時，圍繞“新生問題，提升認知”。如此，學習過程“以問題為核心不斷答疑、生疑、再答疑”，順道“解決問題”，最終形成細胞呼吸的具體過程、核心概念，得到“ATP的主要來源是細胞呼吸”的結論。

3 教學目標

（1） 知識目標：簡述有氧呼吸和無氧呼吸過程；說出酵母菌細胞呼吸方式；說出細胞呼吸原理在生產和生活中的應用。

（2） 能力目標：能從反應條件、物質變化、能量變化、物質量變化4個角度認識化學反應；嘗試尋找關鍵詞；學會提取信息、梳理信息、培養簡化文本、化文為圖。

（3） 情感、態度與價值觀目標：感悟生活的美好；認同思考和發現的重要性；明白知識從生活中來又服務于生活的道理。

4 教學重點與難點

（1） 說明有氧呼吸和無氧呼吸的過程。

（2） 能理解ATP的主要來源是細胞呼吸。

5 教學過程

5.1 視頻導入

教師播放“發酵歷史”視頻，引導學生初步了解以下內容：公元前6000年，古巴比倫人掌握“發酵釀造啤酒”技術；公元前4000年，埃及人學會了用“發酵法”制造面包；殷商時期，中國人掌握了“釀酒”技術；秦漢時期，學會了制醬；周朝時期，學會了制醋。

播放完視頻后，教師提問：（1） 視頻中反復出現了一個關鍵詞，請找出來。（2） 怎么理解發酵？（3） 在生活中，發酵處處可見，如市場上售賣安琪酵母（課件出示圖片），用來發面。發面后，面團松軟，為什么？面團偶有酸味，為什么？發酵與細胞呼吸之間有怎么樣的關系？

學生學情：能指出視頻中的關鍵詞是“發酵”，知道面團松軟是因為產生了氣體。但不知道產生的氣體是什么及發酵是怎么一回事。

教師補充“發酵”在生活上的其他應用，及點明“發酵”與呼吸作用的聯系：發酵是微生物的呼吸作用。

教師繼續追加問題，引發學生的“頭腦風暴”：取一部分發酵液，用乙醇和丙酮處理其中的酵母細胞，將它們殺死，發現處理后的發酵液仍然保持發酵能力，為什么？

學生紛紛進行思考，此時教師不急于解釋，為后文發酵相關知識的拓展做好情境鋪墊。

5.2 引導學生自學，理解“細胞呼吸”核心概念

待學生的“頭腦風暴”過后，教師引導學生閱讀教材“細胞呼吸”相關板塊尋找答案，之后拋出兩組問題（多媒體投影），引導學生自學。

第1組問題：（1） 找出細胞呼吸概念關鍵詞，它們各自在一個化學反應式中對應意義是什么？怎么理解氧化分解？（2） 怎么理解有機物？有機物是指前面學過的四類（核酸、蛋白質、糖類、脂質）嗎？（3） 細胞呼吸有哪些類型？（此組問題主要用于解讀“細胞呼吸”概念）

第2組問題：（1） 生活中常使用“呼吸”一詞。這里的“呼吸”指的是什么？（2） 你能否結合初中生物教材中的“呼吸全過程”（圖1），標出你認為的“呼吸”對應范圍。（3） 呼吸作用僅發生在肺里嗎？（4） O2進入肺后最終去哪了？CO2從哪兒來？（此組問題主要用于尋找“呼吸”與“呼吸作用”的關系）

學生討論并交換意見后，知道“有機物”是反應物（底物）是提供能量的物質，如糖類、脂肪；“細胞內”是場所；“酶”是反應條件；“CO2或其他產物”是生成物（產物）；“ATP”是能量；細胞呼吸有兩種方式：有氧呼吸和無氧呼吸。但對于“有機物能否判斷為蛋白質、核酸”疑惑不解、各執一詞，且以為“呼吸”就是呼氣和吸氣。

上述學情表明學生已完成“自學”和“互學”，暴露“細胞呼吸概念”思維盲區：不理解“氧化分解”的含義，不明白“ATP”是作為物質還是能量，無法區分物質變化和能量變化，不清楚細胞呼吸、呼吸作用與呼吸有何異同，不理解“呼吸”的含義，誤以為呼吸作用僅僅發生在肺里。

這些學情正是教師教學的入手點及學生“領學”提升的好素材。

教師補充：“氧化分解”是一種化學方應類型，包含氧化還原反應和分解反應兩種；ATP不是能量，是產物，雖含2個高能磷酸鍵，但它是大部分細胞主要能源物質，故ATP視為產物。能量變化為釋放能量。除了糖類、脂肪可釋放能量外，還有蛋白質，作為生命活動特殊能源。核酸不能提供能量，一般用作遺傳物質。學生口中“呼吸”即肺通氣，不完整。以人為例，所謂“呼吸”指人體從周圍環境吸入O2，同時呼出CO2的過程。它包括3個層次：肺通氣（外呼吸）；氣體在血液中的運輸（體內運輸）；呼吸作用（內呼吸）。細胞呼吸與呼吸作用實質相同，都是細胞內的有機物發生氧化分解，釋放能量形成ATP的過程。

5.3 學生互學，教師領學，突破“有氧呼吸”學習難點

葡萄糖是細胞內的主要能源，也是有氧呼吸和無氧呼吸最常利用的物質。教師先展示“葡萄糖的有氧呼吸過程”（圖2），然后再將其轉化到一個具體的細胞內（圖3），最后以1 mol葡萄糖的有氧呼吸為例，引導學生思考以下兩組問題。

第一組問題：

（1） 請說出細胞膜、細胞核、細胞質、線粒體的位置。線粒體外膜、內膜、嵴、線粒體基質分別在哪？

（2） 有氧呼吸共3個階段，在圖3中用①②③表示，說出各個階段的發生場所。討論每個階段的物質變化及數量變化，并寫在括號內。

（3） 有氧呼吸離不開O2，但真正需要O2的是在第幾階段？若把O2中O用18O標記，18O最先出現在哪個物質？（突破學生“物質變化”學習難點）

第二組問題：

（4） 1 mol葡萄糖經有氧呼吸釋放能量為2 870kJ，其中只有1 161kJ左右的能量儲存在ATP，其余的能量去哪了？由此說明釋放的能量有哪些去向？

（5） 細胞生命活動所需的能量，大約有95%來自線粒體，因此有氧呼吸的主要場所是哪里？

（6） 寫出有氧呼吸的總反應式。與化學反應式對比，總結生物反應式寫法如何？

（7） 說出有氧呼吸的關鍵詞，使用這些關鍵詞，給有氧呼吸下定義（解決學生“能量變化”的學習困難）。

學生在完成兩組“互學”問題的過程中產生新困惑：[H]是什么？有何作用？它和以前接觸的H、H+、H2有何區別？雖然教材中“有氧呼吸過程圖解”的物質改變一目了然，但學生不明白如何計算物質摩爾數，對于有氧呼吸總反應式出現“+能量”的理解出現爭論，不清楚是“ATP”或是“熱能”還是“ATP+熱能”。學生的這些新困惑是問題式課堂真正的動力。

教師隨即分析學情，找準“下手點”：“有氧呼吸過程圖解”從四個角度梳理：物質變化、能量變化、反應條件以及反應類型，見表1。不難發現物質數量變化、反應類型在表中依然沒有解決。究其原因，就是[H]作用和它作為“中間產物”的地位問題沒有厘清，出現了“知識斷點”。對此，教師教學的“下手點”即解決[H]和“中間產物”的疑問。

教師“領學”提升：[H]不是H和H+，而是一種化合物NADH，具有還原性，作為還原劑。O2作為氧化劑，這為“反應類型是氧化還原反應”做了提示。第一階段和第二階段生成[H]，都是氧化還原反應。從C6H12O6最終變成了CO2來看，屬于分解反應。綜上所述，有氧呼吸反應類型為氧化分解，與前文細胞呼吸反應類型一致。

教師接著介紹“中間產物”，為“書寫總反應式”和“能量逐步釋放”搭橋鋪路。有氧呼吸是一系列連續反應，不是一個化學反應。以丙酮酸為例，丙酮酸既是有氧呼吸第一階段產物，也是第二階段底物，像丙酮酸這樣，還有[H]，都屬于中間產物。每一階段由專門的酶（可用酶1、酶2、酶3表示）催化，且前一階段反應產物是后一階段反應底物，因此葡萄糖逐步分解，能量逐步釋放。釋放的能量一部分以熱能形式散失，其余的在有關酶催化下被ADP接受，與磷酸結合，生成ATP。

5.4 檢測基礎，“領學”拔高，突破“無氧呼吸”學習難點

第一組問題（檢測基礎）：

（1） 在有O2的情況下，細胞有氧呼吸釋放能量，形成ATP。在沒有O2或O2不足的條件下，細胞怎樣解決ATP供應？

（2） 據圖4，無氧呼吸包括2個階段，在圖4中用①②表示，討論每個階段發生場所、物質變化、能量變化，在圖5括號內寫出。

（3） 寫出無氧呼吸總反應式。

（4） 同是無氧呼吸第二階段，為何丙酮酸被還原的產物不同？能否舉例說明哪種生物進行酒精發酵，哪種生物進行乳酸發酵？有沒有一種生物既進行酒精發酵又進行乳酸發酵，試舉例說明。

（5） 仿照有氧呼吸，給無氧呼吸下定義：無氧呼吸一般指在 的條件下，通過 的催化，把葡萄糖等有機物分解成為

，同時釋放 的過程。

學生“互學”后，會生疑：據有氧呼吸[H]作用，提示兩種無氧呼吸反應類型均為氧化分解，卻無法說出丙酮酸被分解為不同產物的原因，亦不能說出氧化分解的異同。

諸如此類就是知識縫隙，教師找出后，應見縫插針，從“能量釋放多少和去路”入手，設計第2組問題。

第二組問題（“領學”拔高）：

（1） 以乳酸發酵為例，每消耗1 mol葡萄糖釋放能量為196.65 kJ，其中只有61.08 kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量去哪了？以酒精發酵為例，每消耗1 mol葡萄糖釋放的能量為225.9 kJ，其中只有61.08 kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量去哪了？無氧呼吸第二階段釋放能量了嗎？

（2） 與有氧呼吸釋放能量2870 kJ相比，二者釋放能量相差如此之大，這對于理解氧化分解有何意義？差值部分能量儲存在哪？

（3） 說出哪些過程能形成ATP？在ADP轉化成ATP過程中，所需能量從哪里來呢？

教師補充表2：由于酶種類不同（用酶a、酶b、酶c表示），丙酮酸被還原的產物不同，生成酒精和CO2或生成乳酸，不會有生物二者兼而有之。酒精發酵適用于大多數植物、酵母菌；乳酸發酵適用于大部分動物和乳酸菌。與有氧呼吸相比，無氧呼吸釋放能量較少，說明有氧呼吸氧化分解徹底，無氧呼吸氧化分解不徹底，大部分能量儲存在有機物中。

歸納小結：

（1） 細胞呼吸主要方式：有氧呼吸。

（2） 判斷氧化分解徹底與否的依據：觀察產物是否均為無機物。

（3） 形成ATP的過程（圖6）主要有3條：① 有氧呼吸；② 無氧呼吸；③ 光合作用。

相應的，在ADP轉化成ATP過程中，所需的能量來自有機物中的化學能或光能。對于動物、人、真菌和大多數細菌來說，均來自細胞呼吸作用有機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，葉綠體進行光合作用將ADP轉化為ATP。因此ATP的主要來源是細胞呼吸。

5.5 提問結課

酵母菌是引課素材，教師繼續尋找挑戰點進行結課，做到首位呼應。

教師結課提問：

（1）酵母菌在有氧和無氧條件下都能生存，酵母菌細胞呼吸方式是什么？

（2） 回到課前“頭腦風暴”：取一部分發酵液，用乙醇和丙酮處理其中的酵母細胞，將它們殺死，發現處理后的發酵液仍然保持發酵能力，為什么？

（3） 某小組在注射器中加入3mL含酵母菌培養液，吸入9 mL空氣后加塞密封，一段時間后，發現針管內的氣體體積增加。為什么？

6 教學反思

本節課涉及較多的概念性知識和過程性知識，夾雜推理分析，課堂處理很有難度。教師應在不照搬教材情況下進行重構：切塊、分層同時推進。切為3塊，分別是細胞呼吸、有氧呼吸、無氧呼吸，每1塊以組織若干問題分層推進。

“視頻導入”引課，帶出關鍵詞“發酵”，為細胞呼吸概念尋找關鍵詞做好思維內動，亦為“結課”做好首尾呼應，做到了用一個觀察點抓住一節課。

自制6張圖是3塊相應線索，也是教學特色。學生初步閱讀教材建立認知后，借助圖形二次建構，為快速“理解文本”搭建支架。特別是有位學生分析有氧呼吸總反應式時，提到：“釋放的能量怎么理解？是ATP還是熱能還是ATP和熱能二者總和？”這些問題讓教師始料不及，而這就是問題帶來的生產力。學生在問題式課堂中互疑互解、互幫互學，逐漸形成嚴謹思維，不僅在學而且在用，是學以致用的典型結合。

有氧呼吸過程是重點，亦是難點。以問題遞進式推進，使組織課堂、觀察課堂的視角由“個體認知”上升為“集體對話”，把課堂變成學生交互的舞臺，增進了生生互動、師生互動，塑造了鮮活的課堂。特別是在處理圖3和圖5過程中，學生多次板演，出現多次“學習斷點”“知識縫隙”，為教師找出學習困難“及時搭橋”，也為學生在解決問題過程中生成新問題“鋪路”，這樣“問題中再生問題”的方式使問題生成及時、鮮活、有力，從而突破有氧呼吸，最終使學生認同“ATP的主要來源是細胞呼吸”。實踐證明，問題式課堂教學效果良好，深受學生歡迎。