5.2细胞的能量”货币“ATP 教学设计

第5章 细胞的能量供应和利用
第2节 细胞的能量“货币”ATP
一、课标分析
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中提出：大概念2：“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”。为了形成这一大概念，需要引导学生逐步构建三个重要概念作为支持，而本单元内容是学生建构：“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”这一重要概念的基础。因此本单元四节内容的逻辑关联如下：细胞的功能大多数基于化学反应，对于化学反应，我们需要从反应的条件、过程和场所这几个方面分析。细胞内的化学反应的条件需要酶和ATP，反应的过程以光合作用和细胞呼吸为例，反应的场所基于对细胞结构的学习，在这一重要概念的形成过程中逐步形成结构与功能观。进而本节内容需要落实的次位概念是：“解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”。教材内容主要分析了ATP分子的组成和结构特点、ATP与ADP相互转化的特性、ATP的来源和利用这三个方面。由“结构与功能观”逐步形成“物质与能量观”，可为后续“细胞呼吸”和“光合作用”的学习打下良好的基础。因此，本节内容对于整个知识之间内在联系的纽带作用非常明显。
二、教材分析
本节选自《普通高中教科书·生物学》必修1《分子与细胞》第5章《细胞的能量供应和利用》--第2节《细胞的能量“货币”ATP》，本节内容为1课时。本节内容主要介绍ATP的分子组成和结构特点、ATP与ADP的相互转化以及ATP在能量代谢中的作用3个方面的内容。尽管糖类等有机物是能源物质，但并不能给生命活动直接提供能量，ATP之所以是直接能源物质，是由其分子结构所决定的。 ATP 为什么能像“货币”一样反复利用呢 教材通过ATP和ADP相互转化的示意图，让学生直观地认识到，ATP和ADP的相互转化伴随着能量的释放和储存。此外，ATP 和ADP的数量还处于动态平衡之中。本节内容是在学生掌握了细胞中的有机物蛋白质、 糖类、脂肪等在细胞中的作用等知识的基础上安排的教学内容，教材中ATP水解释放出能量促使主动运输中载体蛋白的磷酸化的典型意义，有助于第4章“主动运输”的学习。ATP是生命活动的直接能源物质，在细胞代谢中具有重要作用，在细胞呼吸、光合作用中会产生ATP,因此本节内容是后续章节学习的基础，具有承前启后的作用。
三、学情分析
现阶段高一的学生经过初中生物学和高中“细胞结构和功能”的学习，已经具备了一定的知识水平，了解了细胞的物质组成，对结构与功能的关系有一定的理解，同时抽象思维和学习能力也得到了一定的发展。在学习本节内容之前，学生已经学习了糖类、脂肪、蛋白质等有机物，已明确了能源物质、主要的能源物质、储能物质等相关知识；学生通过核酸相关内容的学习，已经掌握了核糖核苷酸的组成，为学习ATP的结构打下基础，同时也为在本节课的学习中需要注意区分的几个概念做了铺垫。这些内容都为学习ATP这一细胞的直接能源物质奠定了基础。高一学生有初步的逻辑思维能力和教材分析能力，具备了一定的科学探究能力但还不完善，对抽象知识的理解有一定的障碍，在对问题的本质分析和协作交流方面还有待加强，对于什么物质能为生命活动直接供能、能量如何产生、如何储存、如何被利用等尚不清楚，对生命系统的认识有待进一步提高。因此，需要借助模型构建、播放教学视频等教学辅助手段，化抽象为具体，帮助学生理解，同时需要教师多加引导。
四、教学目标
1.通过探究并尝试设计直接能源物质的实验，体验科学探究基本思路与方法，认同ATP是供应细胞生命活动的直接能源物质。(生命观念、科学思维、科学探究)
2.通过建构ATP 的物理结构模型以及对ATP与ADP的相互转化过程的综合分析，运用结构与功能观解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质，初步形成结构与功能观，物质与能量观，培养模型建构的科学思维。(生命观念、科学思维)
3.关注ATP在社会生活中的应用，主动向他人宣传与ATP有关的科学知识。(社会责任)
五、教学重、难点
1.教学重点：ATP的化学组成和结构特点及ATP与ADP的相互转化。
2.教学难点：ATP与ADP的相互转化及ATP在能量代谢中的作用。
六、教学流程
七、教学过程
一、ATP的功能
创设情境：运动会上同学们各显身手，然而每项活动都需要肌肉收缩来完成，且消耗体内大量的能量，而能量转化的载体是物质，那么你认为肌肉收缩时是何物质直接为其提供能量呢？
设计意图：联系实际生活，通过真实情境的设置，激发学生的好奇心和学习的主动性。
提出问题：情景分析1：什么物质为肌肉收缩直接供能？
提出主张：葡萄糖/ATP为肌肉收缩直接供能。
任务1：探究葡萄糖/ATP是肌肉收缩直接供能物质？
请以小组为单位讨论后做出假设，并利用以下实验材料设计实验进行证明。预测实验结果和结论。
材料：新鲜的蛙腓肠肌、任氏液、适宜溶度的葡萄糖溶液，适宜溶度的ATP溶液，锌铜弓等；
（1）蛙腓肠肌标本是否本来就含有直接能源物质？若有应如何去除其对实验的影响？
（2）应设计几组实验？如何控制实验的自变量？观测指标是什么？
证据：（学生阐述设计思路，预期结果）
组别 实验材料 实验处理 预测实验结果 预测实验结论
1 蛙的腓肠肌 等量且适宜的任氏液
2 蛙的腓肠肌 等量且适宜的葡萄糖溶液
3 蛙的腓肠肌 等量且适宜的ATP溶液
教师播放真实的锌铜弓刺激蛙坐骨神经腓肠肌实验结果视频，学生对照自己预测的实验结果，进一步得出结论。
实验结论：ATP为肌肉收缩直接提供能量。
完善主张：ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
设计意图：通过小组讨论进行实验设计，体验科学探究基本思路与方法，认同ATP是供细胞生命活动的直接能源物质。完成教学目标1，同时培养了学生生命观念、科学思维、科学探究等学科核心素养。
二、ATP是一种高能磷酸化合物（ATP的结构）
提出问题：情景分析2：ATP结构具备哪些特点才能充当肌肉收缩的直接供能物质？
资料1：1934年,罗曼发现某化合物可促进磷酸肌酸水解成肌酸，同时自身被分解成腺苷单磷酸(AMP)和2分子磷酸。1935 年，罗曼进一步确定这种化合物即腺苷三磷酸( ATP）。
资料2：科学家用核苷酸酶处理AMP，其 被分解为磷酸和腺苷,后者可进一步被酶水解为腺嘌呤和核糖。
分析以上资料，你可以得出组成ATP结构的分子有哪些？这些分子如何组成ATP？
提出主张：ATP由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸分子组成。
证据：任务2：阅读P86页“ATP是一种高能磷酸化合物”，结合资料证据，以小组为单位，利用给定的卡片构建出ATP结构模型。依据模型说说其结构有何特点？（说明：用五边形表示五碳糖，长方形表碱基，圆形表示磷酸基团，“—”表示普通化学键，“∽”表特殊化学键。）
学生活动：完成模型构建，观察分析初建模型，展示交流
互评互助，修正错误完善模型。
完善主张：ATP由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸分子组成。结构简式为：A-P∽P∽P。
设计意图:通过模型的合作建构与交流，化抽象为具象，培养学生模型建构的思维方法，完成目标2和重点的突破。
三、ATP的利用
提出问题：情景分析3：ATP如何为肌肉收缩供能？
资料3：相邻的磷酸基团带相同的负电荷，在空间上相互排斥，导致磷酸基团之间的键极不稳定。
提出主张：ATP中两个特殊化学键均能断裂供能。
证据：资料4；α、β和γ表示ATP上三个磷酸基团所处的位置( A-Pα ∽Pβ ∽Pγ),现有甲乙两组ATP溶液，甲组用32P标记ATP的β位的磷酸基团。乙组用32P标记γ位的磷酸基团，然后分别加入等量的ATP水解酶，短时间后迅速分离溶液中游离的磷酸基团，结果发现只有乙组中游离的磷酸基团带有放射性。
完善主张：ATP远离腺苷的特殊化学键不稳定，易断裂，释放能量为生命活动供能，并产生1个ADP和1个磷酸分子。
学生活动：分析资料3和资料4，得出结论。
追问：ATP水解的能量还可以用于哪些生命活动呢？
学生活动：学生阅读教材P89页内容，举例说明。
教师活动:播放ATP为主动运输供能的视频。
设计意图：通过资料分析及视频观看，更加直观的了解到ATP作为直接的供能物质其供能机制是如何发生的。
四、ATP与ADP可以相互转化
提出问题：情景分析4：运动过程中肌肉不断地收缩会消耗大量的能量，机体如何维持体内大量能量供应？
提出主张：水解体内储存的ATP足以保证能量大量供应。
证据：资料5;成年人体内ATP的总量约2-10 mg，在安静的状态下一天需要消耗的ATP为48 kg，在活动的状况下ATP的消耗可达0.5 kg/min ;在安静状态时，肌肉内ATP的所释放能量只能维持肌肉收缩1-2 s。
资料6：人体每个细胞每秒钟可以合成约1000万个ATP，且同时有等量的ATP被水解成ADP。
完善主张：ATP与ADP可以互相转化，并且处于动态平衡中。
学生活动：分析资料，得出结论，修正完善主张。并用示意图表示ATP与ADP的相互转化。
追问：在ADP转化为ATP的过程中，所需能量从何而来？为什么说ATP是细胞的能量“货币”？
资料7：20世纪中叶,赫尔曼等科学家发现,在细胞呼吸和光合作用期间,线粒体或叶绿体中的ATP含量明显上升。
任务3：分析以上资料，并阅读教材P89页的内容，回答以上问题。
设计意图：通过问题驱动，扫清认知障碍，丰富知识背景和发展思维的同时，达成目标2和难点的突破。建构概念模型，培养归纳与总结能力的同时帮助学生整体理解与分析"ATP是能量货币，是供应细胞生命活动的直接能源物质。
拓展应用，深化概念
根据本节课所学，请从结构功能观的角度尝试解释为什么运动会期间，在跑步之前运动员要提前饮用一定量的葡萄糖溶液，而不是直接饮用ATP溶液呢？
设计意图：关注生物知识在社会生活中的应用，落实社会责任，突破目标3。
课堂小结：
学生活动:自主总结本节内容并构建知识网络。
设计意图：及时总结重点内容，加深印象。
随堂检测：
1．能准确表示 ATP 中三个磷酸基团之间，以及磷酸基团和腺苷之间关系的结构简式是 （ ）
A．A—P—P～P B．A—P～P～P
C．A～P～P—P D．A～P～P～P
2．下列物质中，能够直接给细胞生命活动提供能量的是（ ）
A．脂肪酸 B．氨基酸 C．腺苷二磷酸 D．腺苷三磷酸
3.ATP 是细胞生命活动的直接能源物质，下面关于 ATP 的叙述，错误的是 （ ）
A．细胞质和细胞核中都有 ATP 的分布
B．ATP 合成所需的能量由磷酸提供
C．ATP 可以水解为 ADP 和磷酸
D．正常细胞中 ATP 与 ADP 的比值相对稳定
4.离子泵是一种具有 ATP 水解酶活性的载体蛋白，它在跨膜运输物质时离不开 ATP 的水解。下列叙述正确的是 （ ）
A．离子通过离子泵的跨膜运输属于协助扩散
B．离子通过离子泵的跨膜运输是顺浓度梯度进行的
C．动物一氧化碳中毒会降低离子泵跨膜运输离子的速率
D．加入蛋白质变性剂会提高离子泵跨膜运输离子的速率
八、板书设计
第5章第2节 细胞的能量“货币”ATP
九、课后作业
1、根据本节所学内容，查阅资料，说出科学家是如何培育出荧光树的？你还能说出ATP的知识在生活中有哪些应用？
2、完成教材P89页的拓展应用。
十、教学反思
本教学设计有自己的特色是应用了论证式教学模式与情境教学相结合，具体表现在：
1.情境教学：利用一境贯穿，情境——问题——活动（探究实验、资料证据、科学解释）驱动教学过程的开展，较好地落实学科核心素养;
2.开展实验设计、物理模型构建、资料分析等活动，促进学生概念构建的主动发生;
3.以论证式教学为基本教学模式，体现学生的主体地位，促进思维与能力的多元发展。
当然，本教学设计仍存在些许的不足：
1、课堂中的探究实验未能做到现场演示，使得学生缺少更为真实的情境体验。
2、由于主客观因素，对学生学习情况预判可能存在一定的偏差，对课堂时间和效果的把控造成一定的影响。