基于核心素養的高中生物學教學設計

摘 要：本文以“細胞的能量‘貨幣’ATP”一節內容為例，為發展學生的生物學學科核心素養，筆者采用多種教學方法，優化教學設計及實驗環節，分析實驗現象，揭示ATP的功能；通過小組合作環節，構建物理模型，掌握ATP的結構；通過分析資料環節，構建概念模型，闡述ATP與ADP的相互轉化過程；通過引導學生關注科學前沿議題，參與議題討論并進行理性解釋，旨在

確保學生的核心素養得到充分發展。

關鍵詞：核心素養；高中生物學；教學設計；ATP

文章編號：1003-7586（2024）09-0041-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

新時代的高中生物學課堂更加注重提升學生的生物學學科核心素養。學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。本文以“細胞的能量‘貨幣’ATP”一節內容為例，運用多種教學方法，優化教學設計，逐步發展學生的生物學學科核心素養。

1 教材及課標分析

“細胞的能量‘貨幣’ATP”是人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》第5章第2節的內容。學生在第1節學習了酶的作用和本質，了解了活化能的概念，但尚未接觸到為細胞內化學反應直接提供能量的物質。教材的第3節指導學生學習細胞的呼吸作用并掌握有機物中的化學能有一部分儲存在ATP中。因而，本節內容在教材內容上起到了承上啟下的作用，既說明了ATP能夠為細胞內化學反應直接提供能量，又解釋了葡萄糖等有機物可以通過細胞呼吸轉化為ATP，進而為生命活動供能。

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）對本節內容的要求為“解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”。為突破這一重難點，筆者結合并運用多種教學方式，如設計牛蛙腓腸肌收縮實驗、構建ATP結構模型、將葡萄糖類比為大額存單、將ATP類比為零錢等，從而幫助學生理解ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。

2 教學目標

（1）通過觀看視頻，分析ATP的功能，學習ATP的結構特點，形成結構與功能觀；通過構建ATP與ADP相互轉化的概念模型，說明物質作為載體實現能量流動，能量作為動力實現物質循環，形成物質與能量觀（生命觀念）。

（2）通過小組合作構建ATP的結構模型，提升團隊合作意識和建模能力，并逐步發展科學思維（科學思維）。

（3）通過觀察牛蛙肌肉收縮這一生理學現象，并對實驗處理后的結果進行交流談論，形成實踐探究意識（科學探究）。

（4）閱讀資料，結合我國科學家的研究成果，關注科學前沿議題，參與議題討論并進行理性解釋，傳播關愛生命的觀念和知識，為健康中國的發展提供助力（社會責任）。

3 教學過程

3.1 創設情境，導入新課

癌癥一直是危害人類健康的主要疾病之一。如何準確地投放抗癌藥物一直是科學家研究的難題。近年，我國科學家團隊在“ATP驅動的抗癌藥物定向遞送和釋放”方面取得新的進展。該研究以細菌體內的某種天然蛋白——G蛋白作為攜帶抗癌藥物的載體，利用腫瘤微環境中的高濃度ATP幫助藥物釋放，從而達到靶向治療效果。 ［1］

設計意圖：教師以我國科學家的研究成果為情境導入教學，激發學生的學習興趣，并引發學生思考：ATP在藥物釋放的過程中具有什么作用？

3.2 師生互動，學習新知

3.2.1 探究一：ATP的功能

牛蛙腓腸肌收縮實驗中，教師引導學生觀察刺激坐骨神經之后的現象并提問：什么物質為牛蛙腓腸肌收縮直接供能？牛蛙腓腸肌在受到連續15min的刺激后不再收縮。此時，向牛蛙腓腸肌分別滴加ATP

和葡萄糖溶液（見圖1），并再次刺激腓腸肌，結果發現ATP組的牛蛙腓腸肌收縮，而葡萄糖組的牛蛙腓腸肌不收縮。

設計意圖：學生結合以往所學知識可能會推測葡萄糖能夠為牛蛙腓腸肌收縮直接供能。而教師基于生物學事實和證據，引導學生形成ATP為腓腸肌收縮直接供能的初步認識。

3.2.2 探究二：ATP的結構

教師以問題串的形式引導學生思考：“ATP的結構與功能之間有什么關系？為什么ATP是細胞內的一種高能磷酸化合物？”并要求學生利用紙筆及相關材料以小組為單位構建ATP的結構模型（見圖2）。其間，教師及時為學生提供指導，推進學生小組合作，幫助其完善物理模型的構建。

設計意圖：教師以問題串的形式引導學生思考，提升學生查找資料、分析問題的能力；通過組織小組合作構建模型，提升學生的團隊合作意識和建模能力，并逐步發展其科學思維。

3.2.3 探究三：ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質

教師提供兩組數據，糾正并幫助學生理解細胞生命活動的直接能源物質是ATP而非葡萄糖的原因。數據一：1mol的葡萄糖徹底氧化分解能夠釋放出2870kJ能量，1mol的ATP水解能夠釋放出30.54kJ能量。數據二：細胞主動運輸時，鈉鉀泵每運輸2mol的鉀離子和3mol的鈉離子要消耗近30kJ的能量。

設計意圖：教師將葡萄糖類比為大額存單，ATP零錢，通過提供數據幫助學生認同ATP類比為細胞生命活動的直接能源物質的觀點，進一步鞏固學生的結構與功能觀、物質與能量觀。

3.2.4 探究四：ATP與ADP可以相互轉化

教師提供兩則資料。資料一：相關研究顯示，一個成年人在靜止狀態下24h消耗的ATP約為40kg；在劇烈運動的狀態下，每分鐘約有0.5kgATP水解為ADP。資料二：成年人體內ATP的總量約為2～10mg，人體在休息狀態下肌肉內的ATP含量僅能供肌肉收縮1～2s。 ［2］學生分析資料，發現人體內的ATP消耗量很大，但含量很少。

設計意圖：教師通過展示兩則資料，引起學生的認知沖突，引導學生找到解決問題的路徑，即ATP與ADP可以快速相互轉化并維持動態平衡，由此幫助學生建立穩態與平衡的生命觀念。

3.2.5 探究五：ATP的合成與水解

教師引導學生建立如圖3所示的概念模型，并提供相關資料。資料一：催化ATP合成的酶主要分布于葉綠體的類囊體薄膜及線粒體內膜。ADP能夠吸收細胞呼吸過程中葡萄糖等有機物氧化分解所釋放的能量或光合作用捕獲的光能，并與游離的磷酸結合，重新合成ATP。

學生思考：合成ATP的能量從哪里獲取？ATP水解釋放的能量具有哪些用途？

設計意圖：教師通過引導學生構建概念模型及分析資料，幫助學生理解“吸能反應與ATP水解相關，放能反應與ATP合成相關”，進而引導學生構建“物質作為能量的載體，能量作為動力”的生命觀念。

3.3 關注科學前沿，培養社會責任

教師提供的“ATP驅動的抗癌藥物定向遞送和釋放”相關研究資料表明，科學家利用細菌細胞內的天然蛋白——G蛋白，裝載抗癌藥物多柔比星。腫瘤微環境中的高濃度ATP能夠通過改變G蛋白的構象促進藥物的定向釋放，以達到治療效果。教師基于此引導學生思考以下問題：G蛋白攜帶抗癌藥物時，能否在正常細胞周圍釋放？為什么？在腫瘤微環境中，G蛋白中的藥物如何被釋放，其作用機理是什么？

設計意圖：教師通過引導學生關注科學前沿議題，運用所學生物學知識，參與議題討論并進行理性解釋，培養學生崇尚科學的態度，傳播關愛生命的觀念和知識，為健康中國行動貢獻力量。

4 教學反思

本節課例通過引導學生觀看演示視頻，構建模型，分析資料，參與研究議題討論等教學活動，讓學生在學習新知的同時深入領悟生命現象的本質，從而不斷提升學生的生物學學科核心素養，以達成立德樹人的根本任務。

參考文獻

［1］YUAN Y，DU C，SUN C，et al. Chaperonin-GroEL as a smart hydrophobic drug delivery and tumor targeting molecular machine for tumor therapy［J］. Nano Letters，2018，18（2）：921-928.

［2］黃瑞芳. 在高中生物學課堂中培植學生的生命觀念——以“細胞的能量‘貨幣’ATP”為例［J］. 中學生物教學，2023（27）：75-78.