資源簡介

第5章 細胞的能量供應和利用
第2節 細胞的能量“貨幣”ATP
一、課標分析
《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中提出：大概念2：“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”。為了形成這一大概念，需要引導學生逐步構建三個重要概念作為支持，而本單元內容是學生建構：“細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些反應發生在細胞的特定區域”這一重要概念的基礎。因此本單元四節內容的邏輯關聯如下：細胞的功能大多數基于化學反應，對于化學反應，我們需要從反應的條件、過程和場所這幾個方面分析。細胞內的化學反應的條件需要酶和ATP，反應的過程以光合作用和細胞呼吸為例，反應的場所基于對細胞結構的學習，在這一重要概念的形成過程中逐步形成結構與功能觀。進而本節內容需要落實的次位概念是：“解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”。教材內容主要分析了ATP分子的組成和結構特點、ATP與ADP相互轉化的特性、ATP的來源和利用這三個方面。由“結構與功能觀”逐步形成“物質與能量觀”，可為后續“細胞呼吸”和“光合作用”的學習打下良好的基礎。因此，本節內容對于整個知識之間內在聯系的紐帶作用非常明顯。
二、教材分析
本節選自《普通高中教科書·生物學》必修1《分子與細胞》第5章《細胞的能量供應和利用》--第2節《細胞的能量“貨幣”ATP》，本節內容為1課時。本節內容主要介紹ATP的分子組成和結構特點、ATP與ADP的相互轉化以及ATP在能量代謝中的作用3個方面的內容。盡管糖類等有機物是能源物質，但并不能給生命活動直接提供能量，ATP之所以是直接能源物質，是由其分子結構所決定的。 ATP 為什么能像“貨幣”一樣反復利用呢 教材通過ATP和ADP相互轉化的示意圖，讓學生直觀地認識到，ATP和ADP的相互轉化伴隨著能量的釋放和儲存。此外，ATP 和ADP的數量還處于動態平衡之中。本節內容是在學生掌握了細胞中的有機物蛋白質、 糖類、脂肪等在細胞中的作用等知識的基礎上安排的教學內容，教材中ATP水解釋放出能量促使主動運輸中載體蛋白的磷酸化的典型意義，有助于第4章“主動運輸”的學習。ATP是生命活動的直接能源物質，在細胞代謝中具有重要作用，在細胞呼吸、光合作用中會產生ATP,因此本節內容是后續章節學習的基礎，具有承前啟后的作用。
三、學情分析
現階段高一的學生經過初中生物學和高中“細胞結構和功能”的學習，已經具備了一定的知識水平，了解了細胞的物質組成，對結構與功能的關系有一定的理解，同時抽象思維和學習能力也得到了一定的發展。在學習本節內容之前，學生已經學習了糖類、脂肪、蛋白質等有機物，已明確了能源物質、主要的能源物質、儲能物質等相關知識；學生通過核酸相關內容的學習，已經掌握了核糖核苷酸的組成，為學習ATP的結構打下基礎，同時也為在本節課的學習中需要注意區分的幾個概念做了鋪墊。這些內容都為學習ATP這一細胞的直接能源物質奠定了基礎。高一學生有初步的邏輯思維能力和教材分析能力，具備了一定的科學探究能力但還不完善，對抽象知識的理解有一定的障礙，在對問題的本質分析和協作交流方面還有待加強，對于什么物質能為生命活動直接供能、能量如何產生、如何儲存、如何被利用等尚不清楚，對生命系統的認識有待進一步提高。因此，需要借助模型構建、播放教學視頻等教學輔助手段，化抽象為具體，幫助學生理解，同時需要教師多加引導。
四、教學目標
1.通過探究并嘗試設計直接能源物質的實驗，體驗科學探究基本思路與方法，認同ATP是供應細胞生命活動的直接能源物質。(生命觀念、科學思維、科學探究)
2.通過建構ATP 的物理結構模型以及對ATP與ADP的相互轉化過程的綜合分析，運用結構與功能觀解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質，初步形成結構與功能觀，物質與能量觀，培養模型建構的科學思維。(生命觀念、科學思維)
3.關注ATP在社會生活中的應用，主動向他人宣傳與ATP有關的科學知識。(社會責任)
五、教學重、難點
1.教學重點：ATP的化學組成和結構特點及ATP與ADP的相互轉化。
2.教學難點：ATP與ADP的相互轉化及ATP在能量代謝中的作用。
六、教學流程
七、教學過程
一、ATP的功能
創設情境：運動會上同學們各顯身手，然而每項活動都需要肌肉收縮來完成，且消耗體內大量的能量，而能量轉化的載體是物質，那么你認為肌肉收縮時是何物質直接為其提供能量呢？
設計意圖：聯系實際生活，通過真實情境的設置，激發學生的好奇心和學習的主動性。
提出問題：情景分析1：什么物質為肌肉收縮直接供能？
提出主張：葡萄糖/ATP為肌肉收縮直接供能。
任務1：探究葡萄糖/ATP是肌肉收縮直接供能物質？
請以小組為單位討論后做出假設，并利用以下實驗材料設計實驗進行證明。預測實驗結果和結論。
材料：新鮮的蛙腓腸肌、任氏液、適宜溶度的葡萄糖溶液，適宜溶度的ATP溶液，鋅銅弓等；
（1）蛙腓腸肌標本是否本來就含有直接能源物質？若有應如何去除其對實驗的影響？
（2）應設計幾組實驗？如何控制實驗的自變量？觀測指標是什么？
證據：（學生闡述設計思路，預期結果）
組別 實驗材料 實驗處理 預測實驗結果 預測實驗結論
1 蛙的腓腸肌 等量且適宜的任氏液
2 蛙的腓腸肌 等量且適宜的葡萄糖溶液
3 蛙的腓腸肌 等量且適宜的ATP溶液
教師播放真實的鋅銅弓刺激蛙坐骨神經腓腸肌實驗結果視頻，學生對照自己預測的實驗結果，進一步得出結論。
實驗結論：ATP為肌肉收縮直接提供能量。
完善主張：ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。
設計意圖：通過小組討論進行實驗設計，體驗科學探究基本思路與方法，認同ATP是供細胞生命活動的直接能源物質。完成教學目標1，同時培養了學生生命觀念、科學思維、科學探究等學科核心素養。
二、ATP是一種高能磷酸化合物（ATP的結構）
提出問題：情景分析2：ATP結構具備哪些特點才能充當肌肉收縮的直接供能物質？
資料1：1934年,羅曼發現某化合物可促進磷酸肌酸水解成肌酸，同時自身被分解成腺苷單磷酸(AMP)和2分子磷酸。1935 年，羅曼進一步確定這種化合物即腺苷三磷酸( ATP）。
資料2：科學家用核苷酸酶處理AMP，其 被分解為磷酸和腺苷,后者可進一步被酶水解為腺嘌呤和核糖。
分析以上資料，你可以得出組成ATP結構的分子有哪些？這些分子如何組成ATP？
提出主張：ATP由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸分子組成。
證據：任務2：閱讀P86頁“ATP是一種高能磷酸化合物”，結合資料證據，以小組為單位，利用給定的卡片構建出ATP結構模型。依據模型說說其結構有何特點？（說明：用五邊形表示五碳糖，長方形表堿基，圓形表示磷酸基團，“—”表示普通化學鍵，“∽”表特殊化學鍵。）
學生活動：完成模型構建，觀察分析初建模型，展示交流
互評互助，修正錯誤完善模型。
完善主張：ATP由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸分子組成。結構簡式為：A-P∽P∽P。
設計意圖:通過模型的合作建構與交流，化抽象為具象，培養學生模型建構的思維方法，完成目標2和重點的突破。
三、ATP的利用
提出問題：情景分析3：ATP如何為肌肉收縮供能？
資料3：相鄰的磷酸基團帶相同的負電荷，在空間上相互排斥，導致磷酸基團之間的鍵極不穩定。
提出主張：ATP中兩個特殊化學鍵均能斷裂供能。
證據：資料4；α、β和γ表示ATP上三個磷酸基團所處的位置( A-Pα ∽Pβ ∽Pγ),現有甲乙兩組ATP溶液，甲組用32P標記ATP的β位的磷酸基團。乙組用32P標記γ位的磷酸基團，然后分別加入等量的ATP水解酶，短時間后迅速分離溶液中游離的磷酸基團，結果發現只有乙組中游離的磷酸基團帶有放射性。
完善主張：ATP遠離腺苷的特殊化學鍵不穩定，易斷裂，釋放能量為生命活動供能，并產生1個ADP和1個磷酸分子。
學生活動：分析資料3和資料4，得出結論。
追問：ATP水解的能量還可以用于哪些生命活動呢？
學生活動：學生閱讀教材P89頁內容，舉例說明。
教師活動:播放ATP為主動運輸供能的視頻。
設計意圖：通過資料分析及視頻觀看，更加直觀的了解到ATP作為直接的供能物質其供能機制是如何發生的。
四、ATP與ADP可以相互轉化
提出問題：情景分析4：運動過程中肌肉不斷地收縮會消耗大量的能量，機體如何維持體內大量能量供應？
提出主張：水解體內儲存的ATP足以保證能量大量供應。
證據：資料5;成年人體內ATP的總量約2-10 mg，在安靜的狀態下一天需要消耗的ATP為48 kg，在活動的狀況下ATP的消耗可達0.5 kg/min ;在安靜狀態時，肌肉內ATP的所釋放能量只能維持肌肉收縮1-2 s。
資料6：人體每個細胞每秒鐘可以合成約1000萬個ATP，且同時有等量的ATP被水解成ADP。
完善主張：ATP與ADP可以互相轉化，并且處于動態平衡中。
學生活動：分析資料，得出結論，修正完善主張。并用示意圖表示ATP與ADP的相互轉化。
追問：在ADP轉化為ATP的過程中，所需能量從何而來？為什么說ATP是細胞的能量“貨幣”？
資料7：20世紀中葉,赫爾曼等科學家發現,在細胞呼吸和光合作用期間,線粒體或葉綠體中的ATP含量明顯上升。
任務3：分析以上資料，并閱讀教材P89頁的內容，回答以上問題。
設計意圖：通過問題驅動，掃清認知障礙，豐富知識背景和發展思維的同時，達成目標2和難點的突破。建構概念模型，培養歸納與總結能力的同時幫助學生整體理解與分析"ATP是能量貨幣，是供應細胞生命活動的直接能源物質。
拓展應用，深化概念
根據本節課所學，請從結構功能觀的角度嘗試解釋為什么運動會期間，在跑步之前運動員要提前飲用一定量的葡萄糖溶液，而不是直接飲用ATP溶液呢？
設計意圖：關注生物知識在社會生活中的應用，落實社會責任，突破目標3。
課堂小結：
學生活動:自主總結本節內容并構建知識網絡。
設計意圖：及時總結重點內容，加深印象。
隨堂檢測：
1．能準確表示 ATP 中三個磷酸基團之間，以及磷酸基團和腺苷之間關系的結構簡式是 （ ）
A．A—P—P～P B．A—P～P～P
C．A～P～P—P D．A～P～P～P
2．下列物質中，能夠直接給細胞生命活動提供能量的是（ ）
A．脂肪酸 B．氨基酸 C．腺苷二磷酸 D．腺苷三磷酸
3.ATP 是細胞生命活動的直接能源物質，下面關于 ATP 的敘述，錯誤的是 （ ）
A．細胞質和細胞核中都有 ATP 的分布
B．ATP 合成所需的能量由磷酸提供
C．ATP 可以水解為 ADP 和磷酸
D．正常細胞中 ATP 與 ADP 的比值相對穩定
4.離子泵是一種具有 ATP 水解酶活性的載體蛋白，它在跨膜運輸物質時離不開 ATP 的水解。下列敘述正確的是 （ ）
A．離子通過離子泵的跨膜運輸屬于協助擴散
B．離子通過離子泵的跨膜運輸是順濃度梯度進行的
C．動物一氧化碳中毒會降低離子泵跨膜運輸離子的速率
D．加入蛋白質變性劑會提高離子泵跨膜運輸離子的速率
八、板書設計
第5章第2節 細胞的能量“貨幣”ATP
九、課后作業
1、根據本節所學內容，查閱資料，說出科學家是如何培育出熒光樹的？你還能說出ATP的知識在生活中有哪些應用？
2、完成教材P89頁的拓展應用。
十、教學反思
本教學設計有自己的特色是應用了論證式教學模式與情境教學相結合，具體表現在：
1.情境教學：利用一境貫穿，情境——問題——活動（探究實驗、資料證據、科學解釋）驅動教學過程的開展，較好地落實學科核心素養;
2.開展實驗設計、物理模型構建、資料分析等活動，促進學生概念構建的主動發生;
3.以論證式教學為基本教學模式，體現學生的主體地位，促進思維與能力的多元發展。
當然，本教學設計仍存在些許的不足：
1、課堂中的探究實驗未能做到現場演示，使得學生缺少更為真實的情境體驗。
2、由于主客觀因素，對學生學習情況預判可能存在一定的偏差，對課堂時間和效果的把控造成一定的影響。

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