提升學生理性思維的“細胞的能量通貨-ATP”教學設計

蔣麗莉

摘 要：本文以“細胞的能量通貨-ATP”一節為例，結合假說-演繹法、模型與建模、歸納與概括、邏輯與推理、遷移與應用等方法進行教學，有效提升學生理性思維。

關鍵詞：理性思維;ATP;能量通貨;教學設計

1.教材分析

細胞的能量“通貨”——ATP是人教版高中生物必修一第五章第二節的教學內容，本節具有承上啟下的作用：學生可以進一步理解能源物質對于需能生命活動如蛋白質合成加工、主動運輸等的意義;加深理解把葉綠體、線粒體比喻為“能量轉換站”和“動力車間”的含義，為后續學習光合作用與呼吸作用鋪設能量主線，從而深刻領會活細胞生長、增殖等生命歷程與能量的供應和利用分不開。教學中通過假說-演繹法、模型與建模、歸納與概括、邏輯與推理等方法提升學生理性思維，滲透物質與能量觀、結構與功能觀、進化與適應觀等生命觀念，從能量角度感受細胞的精、巧、美。

2.教學目標

（1）通過假說-演繹法得出ATP是細胞生命活動的直接能源。

（2）通過模型建構得出ATP的結構，體驗建模思維，領悟模型與建模方法。

（3）根據材料，通過分析、比較、推理、歸納等方法構建ATP與ADP的轉化模型，認同結構與能觀、物質與能量觀，體會細胞的精、巧、美。

（4）從ATP的供能機制的廣泛性認同進化與適應觀。

3.教學過程

3.1創設情境——激發思維

教師呈現一組生命與能量緊密相連的圖片，引入能量對于細胞的重要性。給出資料：1mol葡萄糖徹底氧化分解釋放能量數值及細胞中一些生命活動所需能量值。

3.2假說演繹——得出結論

問題引導：教室用大桶純凈水供水，每位同學的需求各不相同，該如何解決？學生提出用杯子，即將大桶的水分裝到更小的容器，直接供水給每位同學。通過這種類比，學生推理出從葡萄糖氧化分解釋放大量能量，到細胞各項耗能生命活動之間，應該有更小的結構或物質形成來直接供能，并假設這種結構或物質為X。教師呈現有關ATP的科學探究史，提出問題：ATP是否就是X？

學生活動1：作出假說，結合教師所給實驗材料分組設計實驗方案。所給材料：新鮮的蛙的坐骨神經——腓腸肌結構，鋅銅弓（可對神經進行電刺激，引起肌肉收縮）、任氏液（能保持肌肉在離體條件下的生理活性）、葡萄糖溶液、ATP溶液。

學生活動2：小組代表上講臺匯報實驗方案，并根據假說內容演繹推理出實驗結果。要求：明確實驗的設計原則，其他小組可以點評并完善。

小組形成最終方案即步驟1：將新鮮的坐骨神經——腓腸肌標本分為1、2、3三組，用記號筆在培養皿上做標記。步驟2：先用鋅銅弓頻繁刺激蛙的坐骨神經——腓腸肌，直至能量消耗完，肌肉不再收縮為止。步驟3：1、2、3三組中分別加入等量適宜的任氏液、葡萄糖溶液、ATP溶液。再次用鋅銅弓刺激蛙的坐骨神經——腓腸肌，觀察肌肉是否收縮。

最后一起觀看教師完成的實驗結果視頻，證明假說：ATP就是X是成立的，即ATP是細胞的直接能源物質。自然引出對ATP功能的定義——細胞中的能量通貨。

3.3問題引領——深入探究ATP

根據葡萄糖分解釋放能量——ATP——供能各項生命活動，提出問題：1.ATP有怎樣的結構？2.ATP如何直接供能？3.ATP如何形成？

3.3.1模型建構——解決問題1

學生活動3：以小組為單位，結合教師所給資料和信封中的材料進行合作探究

資料1：研究發現，1個ATP分子中含有1個腺嘌呤A，1個核糖，3個磷酸基團，其間有1個普通磷酸鍵，2個高能磷酸鍵。資料2：1個高能磷酸鍵中儲存能量30.54kJ，大約是普通磷酸鍵儲存能量的2-3倍，它能通過水解釋放出來。資料3：高能磷酸鍵好像是被高度壓縮的彈簧，蘊藏的能量并不穩定，水解放能時像是彈簧彈開，

每個小組的信封中含剪紙模型（可粘貼）：腺嘌呤1個、核糖1個、磷酸3個，高能磷酸鍵2個，1個普通磷酸鍵。活動要求：將其在白紙上按順序粘貼，用筆畫出其他各部分的化學鍵，構建ATP的結構模型。

學生活動4：小組代表展示模型并說出理由，同學互評。教師通過PPT將正確的模型轉化為結構式，再簡化為結構簡式，學生自然地發現腺苷A與腺嘌呤A的區別。

學生活動5：根據結構簡式，用中文命名ATP

3.3.2巧用模型——解決問題2

問題引導：ATP水解供能的過程中哪個高能磷酸鍵先斷裂？學生利用建構的ATP分子模型進行演示，得出遠離腺苷的那個優先水解。

3.3.3邏輯推理——解決問題3

資料4：一個人在劇烈運動狀態下，每分鐘約有0.5kg的ATP分解釋放能量，供運動所需。一個成年人在安靜的狀態下，24h內有40kg的ATP被水解，但肌肉內ATP含量只能供肌肉收縮1～2s所需的能量。資料5：高能磷酸鍵易斷裂，也容易形成。學生很快得出結論：ATP在細胞中含量少，ATP與ADP之間是相互轉化的，且轉化很快。

資料6：在漫長的進化過程中，ATP的轉化作為一種優質的機制被保留下來。無論是復雜的高等動植物體中，還是在低等的原核生物細胞中都普遍存在，它建立了細胞之間、細胞與生物體之間、生物體與生態系統之間的能量關系，是生物界的共性。

3.3.4概念模型——理清能量主線

學生活動6：構建太陽光能、葡萄糖、ATP、ADP和Pi這幾種能量或物質之間的概念關系模型。

3.4遷移應用——解決實際問題

資料7：由于微生物活細胞中含恒量的ATP，故ATP含量可以清晰地表明微生物含量的多少。ATP可以在熒光素酶的作用下與熒光素結合發生生物熒光，其強度與微生物數量呈比例關系。

學生活動7：結合資料嘗試設計一種能快速檢測物品表面微生物數量的儀器。

活動要求：能說出關鍵的原理即可。

4.教學反思

本節課的教學設計以能量供求矛盾吸引學生探究直接供能物質，再引導學生合作探究ATP的結構及供能機制，引導學生假說演繹、模型建構、邏輯推理、遷移應用，激發學生思維的碰撞，實現從感性思維到理性思維的飛躍，在解決問題中有效提升理性思維。

參考文獻

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本論文系江蘇省教育科學“十三五”規劃課題“高中生物教學促進學生理性思維發展的實踐研究”（批準文號：D/2018/02/212）的研究成果