例談生物學核心素養背景下的教學設計

張宏建

摘 要 將立足這四個方面的素養目標，進行“細胞中的能量通貨——ATP”的設計。

關鍵詞 情境創設 實驗探究 模型建構

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 教材分析

本節是人教版必修1第五章第三節，主要是介紹了ATP的分子組成、結構特點、與ADP的相互轉化以及ATP在生命活動中的作用。本節知識點相對較少，但是卻與多個學習模塊有千絲萬縷的聯系，更可以與物質運輸、呼吸作用、光合作用等生理過程進行高級思維的提升。這就需要學生能夠理解并能應用本節課的知識。

從傳統教學來看，本節課的知識難度較低，都可以通過學生的自主學習來完成。但是，課堂教學不能停留在知識層面的記憶，教師要在課堂教學中不斷提升學生的理科思維和科學素養。因此，筆者對本節課的知識進行了深度挖掘，將“直接能源物質是什么”“ATP的分子結構與RNA有何關系” “ATP與ADP是如何轉化的”作為本節課的難點。

2 設計思路

在生物學核心素養的理念指導下，本節課的設計思路是：用情境吸引學生，用實驗引領學生，用模型訓練學生，用思維培養學生。本節課的實施過程如下：

① 設計對照實驗，讓學生明白生命活動的直接能源物質是ATP。

② 設計模型制作，讓學生明白ATP與核糖核苷酸分子結構的異同。

③ 設計認知沖突，讓學生明白ATP結構式與結構簡式中A的差異。

④ 設計過程演示，讓學生明白ATP的水解和ATP的合成過程。

⑤ 設計思維碰撞，讓學生明白ATP與ADP的轉化十分迅速。

3 教學目標

生命觀念目標：能用物質和能量觀解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質；能用穩態與平衡觀解釋ATP和ADP的轉化是十分迅速的。

理性思維目標：能掌握ATP的分子簡式和特點；能理解ATP的化學組成及其在化學組成上與RNA的關系。

科學探究目標：通過設計并實施對照實驗，熟練掌握科學探究的基本方法，并明確ATP是生命活動的直接能源物質；通過模型建構ATP的結構式、結構簡式及相互轉化過程，培養實踐、理解能力。

社會責任目標：通過情境創設，激發學習興趣，并滲透熱愛自然和生命的情感教育；關注ATP在醫學上的應用，并能主動向他人宣傳有關ATP的理性解釋。

4 教學過程

4.1 情境創設，激發學生學習熱情

教師展示數組本校運動會圖片，讓學生回憶運動會場景，并讓學生從圖中找出自己，用此把學生的關注引進課堂。在運動會上，無論運動員，還是非運動員，都消耗了大量的能量。借此，教師引導學生思考：① 在你們日常所吃的食物中，哪些物質能夠為生命活動提供能量呢？② 糖類、脂肪、蛋白質中，哪種物質能為生命活動直接提供能量呢？

4.2 實驗探究，進行思維碰撞

學生不約而同地猜測直接提供能量的物質是糖類。此時，教師引導學生用實驗來證明答案的正確與否。師生按照實驗探究的歷程，提出假設（直接為生命活動提供能量的物質是葡萄糖），設計實驗：

實驗材料：新鮮的帶有骨的腓腸肌、適宜濃度的葡萄糖溶液、生理鹽水、電刺激、指針、滴管等。

實驗裝置如圖1所示。

為了使實驗結果具有說服力，教師還要引導學生設計對照實驗（對照組滴生理鹽水、實驗組滴葡萄糖），并讓學生預測實驗結果。學生預測的實驗結果都是：對照組肌肉不收縮、指針不偏轉；實驗組肌肉收縮、指針偏轉。

可是，實驗下來的結果卻是兩組肌肉都收縮、指針都偏轉，與學生的預期極度不相符。

在此，教師要引導學生分析出現此現象的原因是腓腸肌內還有能源物質。學生自主完善：本次實驗需進行前處理（先將腓腸肌內原有的能源物質消耗掉）。這樣基于實驗結果的碰撞，讓學生深度理解了前處理的必要性。

完善實驗設計后，繼續實施實驗，卻依然沒有出現學生預期的結果，對照組的實驗結果是肌肉不收縮、指針不偏轉，實驗組的結果也是肌肉不收縮、指針不偏轉，這就說明了葡萄糖不是直接的能源物質。那脂肪或蛋白質是不是直接的能源物質呢？

繼續實驗的結果表明：脂肪、蛋白質也不是直接的能源物質。那到底什么是直接的能源物質呢？學生在深度的思維碰撞之后，已經對“細胞的直接能源物質”充滿了期待。此時，教師告知學生：有一種不知名的物質可以讓肌肉收縮、指針偏轉。那么，這種物質到底是什么呢？

4.3 物質探秘，進行模型制作

4.3.1 物質探秘

學生的學習興趣被激發，自主學習PPT上的資料。教師用幻燈片呈現該物質的英文名稱為Adnosine triphosphate。Adnosine是腺苷，由腺嘌呤和核糖結合而成。tri是三的意思。Phosphate是磷酸基團。該物質的結構式圖2所示。教師引導學生一起找到腺苷、找到核糖、找到腺嘌呤。

4.3.2 模型制作

學生根據PPT的信息及信封里的腺嘌呤、核糖和磷酸的模型進行粘貼，并用筆將各個部分的化學鍵畫出來。學生帶著自己對ATP的理解，進行ATP的模型制作：找到代表核糖的模型，貼在信封的中央；再找腺嘌呤，貼在核糖的左側，并用筆將兩部分用短橫“—”連起來，制作腺苷；然后，將一個磷酸集團貼在核糖的右側，并用短橫“—”連起來。

此時，教師讓學生們暫停模型制作，引導學生為這個結構命名腺嘌呤核糖核苷酸。這樣，學生對“ATP去掉兩個磷酸基團之后是構成RNA的基本單位”的理解就沒有任何問題了。

教師指導學生繼續將剩余的兩個磷酸集團也根據ATP的結構貼到信封上去，并提醒學生注意磷酸與磷酸之間的化學鍵的畫法為“～”。制作完畢后，教師將學生作品放到視頻展臺上展示，強調高能磷酸鍵的含有的能量，并用聯想法幫助學生記憶30.54 kJ/mol，用簡筆畫提醒學生畫高能磷酸鍵的方向。endprint

接著，教師和學生一起給該神秘物質命名，并完成ATP的信息卡（圖3）。

4.3.3 構建簡式

教師在黑板上散亂放置代表A、3個P、2個“～”和1個“—”的磁性板，讓學生構建ATP的結構簡式。通過與上一環節構建的模型進行比較，學生明白ATP中的A是腺苷，而不是腺嘌呤。

物質探秘和模型制作過程讓學生深度理解了ATP的組成部分，對學生解決“ATP的分子結構與RNA有何關系” “ATP中的A與核酸中的A有何差異”等有很大的幫助。

4.4 資料分析，進行過程模擬

4.4.1 ATP的水解

學生閱讀ATP水解過程的資料，然后到黑板上來利用磁性板模擬演示ATP的水解過程。此時，學生需要用另一組磁性板構建“A—P—P+Pi”，教師要引導學生給“A—P—P”命名，并寫出字母縮寫。這樣，學生不僅理解了ADP的結構及ATP的水解過程，而且還加深了對ATP的結構認知及兩者之間的關系。

接著，教師還可以和學生一起分析哪些過程可以用ATP水解釋放出來的能量，并引出吸能反應這個概念。

4.4.2 ATP的合成

學生閱讀ATP合成過程的資料，然后到黑板模擬演示ATP的合成過程。在掌握了ATP水解過程后，學生模擬演示ATP的過程就輕車熟路了。

4.4.3 ATP與ADP的相互轉化

學生通過閱讀能為ATP合成提供能量的生理過程的資料，歸納合成ATP所需能量的來源。

然后，教師引導學生思考：① ATP的水解和ATP的合成是可逆反應嗎？② 細胞中的ATP含量很少，可是細胞對ATP的需求量很大，機體是如何解決這個矛盾的呢？

通過這個過程，學生可以從本質上弄清楚ATP的水解和合成，并理解ATP與ADP的相互轉化十分迅速。

4.5 本節聚焦，進行知識回顧

教師展示本節聚焦，讓學生自查是否掌握本節課的學習目標，對ATP作為能量通貨進行解釋，并進行“我是醫生”的活動，要求學生宣講ATP在醫學上的應用，并能進行有關ATP的理性解釋。

5 教后反思

本節課的教學，教師通過情境創設、趣味導引、有氧思維，激情開展教堂教學的各個環節。本節課中的亮點環節如下：

① 情景導入的有效。利用運動場景的展現，很好地吸引了學生的眼球，將學生的心一下子拉入了課堂學習。

② 實驗意外的吸引。預實驗時，對照組的實驗現象竟然和實驗組一樣收縮？葡萄糖、脂肪、蛋白質竟然都不能讓肌肉收縮？一次又一次的意外震撼著學生的心，并持續激發學生去了解新知的熱情，到底哪種物質是直接的能源物質呢？

③ 自主學習的驅動。學生閱讀教師提出的資料時，結合教師所給材料進行粘貼模型。學生自己動手構建模型，提高了學生閱讀資料的認真細心程度。這個過程需要學生先將資料信息內化為自己的思維，再轉變成自己的動手行為，對學生搜集信息、處理信息的能力以及收獲新知的能力有很強的促進作用。

④ 模型制作的碰撞。學生在好奇心的驅使下，研究ATP結構式，并利用所給材料，模擬制作了ATP的模型，再到黑板上去模擬制作ATP的結構簡式。通過這兩個模型的碰撞，學生徹底弄清了ATP的各個組成部分，并完全明白了ATP中的A的含義與結構式中A的含義是不同的。

⑤細節知識的強化。學生在高能磷酸鍵的畫法、高能磷酸鍵中的能量這兩個細節上，常常不經意地犯錯。筆者通過簡筆畫，讓學生趣味地明確了高能磷酸鍵的畫法；30歲離五四青年節遠去了，這種聯想方式讓學生輕松愉悅地記住了高能磷酸鍵所含有的能量。

⑥ 高級思維的激發。ATP在細胞內含量很少，但是一個人一天竟然需要40 kg的ATP，這種矛盾很好地激發了學生高級思維的動機，讓學生清晰地得出“ATP與ADP的相互轉化是十分迅速的”這個結論。ATP的合成與水解是否是可逆反應的碰撞，能讓學生清晰地明白酶的不同、能量的不同。endprint