細胞的能量“通貨”—ATP教學設計

文 吳彥儒 汪保華

一、教材分析

本節課是人教版高中生物教材必修《分子與細胞》第5章第2節的內容，由ATP分子中具有高能磷酸鍵、ATP和ADP可以相互轉化、ATP的利用三部分構成。該節內容在前后章節安排中具有承上啟下的作用，承接前面學過的知識，核酸的結構、葉綠體是植物細胞的“能量轉換站”，細胞主動運輸需要消耗能量等，同時為后續知識“細胞呼吸和光合作用”的學習埋下了伏筆。根據《普通高中生物學課程標準》（2017年版）的要求，解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質，即為本節課的重點，由于ATP和ADP的知識較為抽象，ATP和ADP的相互轉化是本節課的難點。

二、學情分析

高一學生已經具備了一定的抽象思維、歸納綜合能力。本節的內容雖抽象，但與我們的生活息息相關，教師需要適時地精講、點撥和采用多種恰當的教學手段，引導學生完成新知識的學習，并將新知識有效地整合到原有的知識網絡中，不僅使知識體系得到豐富和發展，而且也為后續知識的學習打好基礎。

三、教學目標

（一）知識目標

1.簡述ATP的化學組成和特點；

2.寫出ATP的分子結構簡式；

3.解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質；

（二）能力目標

1.培養學生自主學習、獲取信息能力；

2.模型建構、小組合作探究能力；

（三）情感態度與價值觀

1.認同細胞內ATP與ADP相互轉化的過程，是生物界的共性，能量的來源和去路建立了細胞與細胞之間、細胞與生物體之間、生物體與生態系統之間的普遍聯系；

2.滲透熱愛自然、珍愛生命的情感教育。

四、教學過程

（一）創設情境，故事導入

《三字經》曰：“如囊螢，如映雪，家雖貧，學不輟。”引導學生講述囊螢映雪的故事，學生總結獲得的啟示。接著以“車胤借微弱的熒光讀書”引出問題“螢火蟲為什么會發光”，學生猜想它的體內有特殊的物質，教師繼續提問“這種特殊的物質是什么”，部分學生回答是“熒光素”，再發問“螢火蟲的發光原理是什么”，學生感到回答這個問題有些困難，教師沒有立刻給出答案，而是繼續引導，“同學們思考這些問題時，正在消耗能量，能量來自于哪里？”我們知道糖類、脂肪等有機物儲存著化學能，但直接給細胞生命活動提供能量的卻是另一種有機物——ATP，自然引出本節課學習的主題細胞的能量“通貨”——ATP。

（二）設計問題，自主學習

學生閱讀教材88頁，說出ATP的含義，并觀察PPT上ATP的結構式，說出它的化學元素組成。接著由ATP的化學元素組成引導學生回顧前面的知識，核酸、磷脂的化學元素也是C、H、O、N、P。給出RNA的基本單位——核糖核苷酸的結構示意圖，引導學生回顧它的結構組成，繼而呈現ATP的結構式，兩者的結構形成類比。為了使學生關注到化學鍵的不同，所給出的ATP結構式中，教師故意設置錯誤，細心的同學會關注到書本旁欄中也有結構式，會對照著糾錯，教師讓學生到PPT前指出并說明。進一步引導學生思考，橫線與波浪線都是化學鍵，它們之間有怎樣的區別？帶著這個問題，進入下一個模型建構環節。

（三）小組合作，模型建構

學生拿出課前分發的教具，長方形代表腺嘌呤、五邊形代表核糖、圓形代表磷酸基團，結合書上ATP的結構式構建它的模型，派小組代表到黑板展示，并寫出ATP的結構簡式，另一小組代表進行點評。為強調結構簡式中A的特殊性，提問學生A和P分別代表什么。若學生回答A是腺嘌呤，老師耐心引導，從而得出A是由腺嘌呤和核糖結合而成的腺苷。小組派代表解說化學鍵的區別，特殊的化學鍵——高能磷酸鍵中的“高能”一詞，說明含有大量的能量，“高能磷酸鍵斷裂會怎樣”引發學生思考，大量的能量就會釋放出來，ATP分子水解，實際上是指高能磷酸鍵水解，水解時釋放的能量高達30.54KJ/mol，從而總結出ATP的特點，ATP是細胞中一種高能磷酸化合物。

（四）問題導向，合作探討

PPT展示主動運輸示意圖，引導學生回顧物質跨膜運輸的方式之一，主動運輸，ATP水解為ADP和Pi時釋放能量，供主動運輸利用。思考ATP水解的具體過程是怎樣的？注意兩個高能磷酸鍵中哪一個易斷裂，仔細閱讀教材，同桌之間互相討論。學生是主體，通過自主學習、合作探討，鍛煉其提取關鍵信息的能力。教師引導學生回答，在酶的催化作用下，ATP分子中遠離A的那個高能磷酸鍵易水解，遠離A的那個P就脫離開，形成游離的Pi（磷酸）并釋放出大量能量，ATP就轉化成ADP。有關ADP的知識，教師需要適當點撥，ADP含有兩個磷酸基團，我們稱之為二磷酸腺苷。引導學生根據ATP的水解過程，寫出水解反應式，教師補充反應式的條件是“水解酶”。ATP水解，大量的能量就可以直接用于各種需能的生命活動，學生舉例說明，如小腸上皮細胞吸收葡萄糖、氨基酸、無機鹽等。

教師繼續提問，生成的ADP可以在一定條件下轉換成ATP嗎？同桌之間合作探討，從而得出在酶的催化作用下，ADP接受能量，同時與一個游離的Pi結合，重新形成ATP。由上述提到的“水解酶”，學生在寫ATP的合成反應式時，注意到了反應條件是“合成酶”，規范性、嚴謹性得到了提高。教師提出問題，ADP轉化成ATP時所需要的能量來自于哪里呢？并展示教材第89頁圖5-6，引導學生據圖得出生成ATP的途徑，培養他們的識圖能力。學生填寫導學案上的表格，總結能量的來源和去路。

呈現ATP與ADP相互轉化示意圖，對細胞的正常生活來說，ATP與ADP的這種相互轉化，是時刻不停地發生且處于動態平衡中的。激發學生思考總反應式是否為可逆反應？有的學生說是可逆的，有的學生說是不可逆的，產生了分歧，教師給出提示，從酶的種類和能量的含義兩個角度思考，小組討論。學生容易得出酶的種類不同，分別是水解酶、合成酶，能量的含義不同，一種用于各項生命活動，而另一種源于呼吸作用和光合作用。教師引導學生總結歸納出，酶的種類不同，能量含義不同，所以ATP與ADP的相互轉化不是一個完全可逆反應，即物質可逆，酶和能量均不可逆，準確說是非可逆反應。

教師提問：細胞內的化學反應有些需要吸收能量，而有些釋放能量，那么吸能和放能在ATP和ADP相互轉化過程中是如何體現的呢？學生嘗試回答，教師適當點撥。細胞中吸能反應需要消耗能量，其能量來源是ATP，吸能反應一般與ATP水解的反應相聯系。放能反應釋放的能量，一部分以熱能形式散失，一部分釋放的能量儲存在ATP中，放能反應一般與ATP的合成相聯系。能量通過ATP分子在吸能和放能之間循環流通，這里ATP的功能與我們生活中使用的貨幣的功能相似，貨幣可以作為一般等價物在市場中流通，所以可以形象地把ATP比喻成細胞內流通的能量“通貨”。以類比的方式使同學們理解本節題目的涵義。

至此，同學們能夠解答螢火蟲的發光原理嗎？大部分學生的答案是ATP直接給螢火蟲提供能量使它發光。教師提供模擬實驗（flash動畫），取螢火蟲尾部發光器，研磨成粉末，取三等份加入已經粘貼好標簽的3支潔凈試管中，置于黑暗環境，一段時間后，向1號試管中加入2mL蒸餾水，2號試管中加入2mL的ATP溶液,3號試管中加入2mL葡萄糖溶液，觀察現象，實驗結果是只有2號試管發出熒光。該實驗可以很好地解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。學生閱讀教材89頁倒數第2段，進一步了解螢火蟲的發光原理。

教師趁熱打鐵，除了螢火蟲利用ATP中的化學能產生熒光之外，同學們還能舉例說明ATP的利用嗎？小組之間熱烈討論后，舉出了很多實例，如大腦思考、電鰻放電、肌細胞收縮、主動運輸、細胞的分裂和生長、恒溫動物維持體溫等。教師呈現圖片并總結，這些實例能很好地解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。

五、課堂小結

教師呈現本節課的思維導圖框架，學生回答填空之處，共同將思維導圖建構完整。

六、拓展延伸

純凈的ATP是白色粉末，能溶于水，ATP片劑可以口服，ATP注射液可以靜脈滴注或肌肉注射。通過本節的學習，我們知道ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質，如果運動員在比賽之前服用ATP，會起到興奮劑的作用嗎？課后搜集資料，證明自己的觀點。

七、教學反思

基于新課程理念，培養學生自主學習、合作探究的能力，注重體現“學生為主體，教師為主導”的教育思想。發揮情境教學的優勢，故事導入，激發學生學習興趣，通過模型建構、模擬實驗等活動使學生體驗從“做中學”。創設問題情境，層層遞進式教學，引導學生學會提出問題、分析問題并解決問題。