王佳虹 徐丹丹 韓 菲**

（1 安徽師范大學生物教育研究中心 安徽蕪湖 241000 2 安徽師范大學附屬中學 安徽蕪湖 241000）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確指出組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵[1]?？茖W探究是生物學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分。加深對科學探究的認識，從學科核心素養(yǎng)的角度提高探究教學的效率是落實課程標準要求的關(guān)鍵[2]。因此，本文以“細胞的能量‘貨幣’ATP”一節(jié)為例，探討如何更加有效地開展探究性教學，通過探究實驗、資料分析、模型構(gòu)建等教學手段，以科學探究為主線，融合歸納與概括、模型與建模的科學思維，樹立學生結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與能量的生命觀念，培養(yǎng)社會責任意識，落實生物學學科核心素養(yǎng)。

1 設(shè)計思路

“細胞的能量‘貨幣’ATP”是人教版高中生物學必修1 教科書《分子與細胞》中第5 章第2 節(jié)的內(nèi)容。在新課程標準中，相關(guān)的內(nèi)容要求是“解釋ATP 是驅(qū)動細胞生命活動的直接能源物質(zhì)”[1]。因此，本節(jié)課的教學思路是通過多個科學探究活動，從結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀，充分解釋ATP 化學組成的特點及其在能量代謝中的作用，剖析ATP 作為直接能源物質(zhì)的本質(zhì)原因。具體設(shè)計思路見圖1。

圖1 學科核心素養(yǎng)達成路徑圖

2 教學過程

2.1 利用科學探究初識ATP 功能，引發(fā)學習興趣 探究性教學需在真實問題的情境下進行，結(jié)合教材“問題探討”欄目中唐代詩人杜牧的詩句和紀錄片“螢光密語”，提出探究問題：為什么螢火蟲可發(fā)光？發(fā)光需要的能量來自何處？

探究實驗：探究螢火蟲發(fā)光的直接能源物質(zhì)。學生以小組為單位完成探究實驗，并討論實驗結(jié)果（圖2）。根據(jù)學生交流情況，教師引導(dǎo)學生初步認識ATP 是細胞生命活動的直接能源物質(zhì)。螢火蟲發(fā)光原因?qū)嶒炋骄窟^程可歸納為圖3。

圖2 滴加溶液后的發(fā)光器

圖3 螢火蟲發(fā)光原因?qū)嶒炋骄窟^程

學生通過進行實驗設(shè)計和操作等科學探究過程，增強對ATP 功能的感性認識。

2.2 利用科學推理探究ATP、ADP 及其之間關(guān)系，揭示生命觀念 設(shè)置問題串，引導(dǎo)學生分析材料并回答問題，自主歸納ATP 的結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建ATP 和ADP 相互轉(zhuǎn)化與能量傳遞關(guān)系的概念模型（圖4）。

圖4 科學推理過程

1）問題組1：通過閱讀資料1 回答①ATP 的結(jié)構(gòu)有哪些特點？②從ATP 結(jié)構(gòu)特點分析，ATP 為何能成為直接能源物質(zhì)？

教師提供資料1（圖5）：

圖5

ATP 是不穩(wěn)定的高能磷酸化合物。每個磷酸基團均帶有負電荷，負電荷相互排斥，這些分子必須含有足夠的能量才能克服臨近相同電荷之間的靜電排斥作用。

根據(jù)資料，小組合作進行討論，教師評價總結(jié)：結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)。大多數(shù)情況下，功能的實現(xiàn)依賴于特定的結(jié)構(gòu)。ATP 可作為細胞生命活動的直接能源物質(zhì)與其分子結(jié)構(gòu)相關(guān)，其連接2個磷酸基團之間的磷酸鍵穩(wěn)定性較差，水解時可釋放出大量的能量。

學生進一步對探究螢火蟲發(fā)光原因的實驗進行解釋，從結(jié)構(gòu)角度解讀ATP 能成為細胞活動直接能源物質(zhì)的原因，體會結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

2）問題組2：結(jié)合教材第87～88 頁內(nèi)容，回答問題并構(gòu)建概念模型：①推測細胞中ATP 水解和合成的過程，此過程有什么特點？②推測細胞中ATP 的來源是什么？

教師提供資料2：一般而言，ATP 在細胞內(nèi)形成后不到1 min 的時間就要發(fā)生轉(zhuǎn)化。如此積累后，生物體內(nèi)ATP 轉(zhuǎn)化的總量很大，例如，一個成年人在靜止狀態(tài)下，24 h 內(nèi)竟然有約40 kg 的ATP發(fā)生轉(zhuǎn)化；在緊張活動的情況下，ATP 的消耗可達0.5 kg/min。總之，在活細胞中，ATP 末端磷酸基團的周轉(zhuǎn)是極其迅速的，其消耗和再生的速度是相對平衡的。

資料3：1 mol 的葡萄糖在徹底氧化分解后,共釋放出2 870 kJ 的能量，其中約有1 161 kJ 的能量儲存在ATP 中，即30～32 mol 的ATP，效率不到40%，未儲存在ATP 中的能量作為熱量散失，可為人們保持體溫。

小組討論并簡單計算，分析ATP 和ADP 在細胞中的相互轉(zhuǎn)化處于動態(tài)平衡且極為迅速，并結(jié)合ATP 的來源和利用途徑構(gòu)建模型，體現(xiàn)吸能和放能反應(yīng)的關(guān)聯(lián)（圖6）。教師評價總結(jié)：能量的傳遞與利用需要以物質(zhì)為載體。細胞內(nèi)的化學反應(yīng)有放能反應(yīng)和吸能反應(yīng)，二者總是偶聯(lián)的。

圖6 概念模型示意圖

通過簡單概念模型的構(gòu)建，形象地解釋ATP被稱為細胞的能量“貨幣”的原因。建模過程有利于培養(yǎng)學生歸納概括的科學思維能力，體會結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。

2.3 再次探究直觀展示ATP 的利用，培養(yǎng)社會責任 回顧ATP 的利用實例，提出疑問：怎樣直觀觀察生物如何利用ATP？引發(fā)學生探究思考。

探究實驗：探究牛蛙腓腸肌收縮實驗。探究性教學可采取課內(nèi)、外結(jié)合的形式，學生在課內(nèi)制定實驗計劃，演示生物學興趣小組課前錄制實驗現(xiàn)象視頻（圖7），肌肉纖維發(fā)生的縮短收縮現(xiàn)象主要特點為肌長度縮短。觀察結(jié)束，引導(dǎo)學生思考并回答問題：①滴加ATP 注射液和葡萄糖溶液后，肌肉纖維發(fā)生了什么變化？②這種變化說明了什么問題？最后教師總結(jié)ATP 對于生物體的意義，并組織學生對ATP 的應(yīng)用提出建議。ATP 影響牛蛙腓腸肌收縮實驗探究過程可歸納為圖8。

圖7 牛蛙腓腸肌收縮實驗現(xiàn)象

圖8 ATP 影響牛蛙腓腸肌收縮實驗探究過程

通過探究實驗，學生直觀感受ATP 是如何利用的，并通過實例將學到的知識與在日常生活中的事件建立聯(lián)系。

3 教學反思

科學探究的重要性毋庸置疑，如何在中學生物學課堂培養(yǎng)學生探究的意識，應(yīng)是每一位教師在教學設(shè)計過程中必須思考的問題。本文將科學探究貫穿于整個教學設(shè)計中。開篇設(shè)置問題情境，利用“螢火蟲發(fā)光原因”實驗，直觀展示ATP的功能，激發(fā)學生探究興趣，增強對陌生抽象概念的感性認識，引入正題。隨后通過科學推理構(gòu)建模型探究ATP、ADP 及其之間關(guān)系，培養(yǎng)歸納與概括、模型與建模的科學思維，形成結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與能量的生命觀念；最后再次探究，引入社會責任意識，寓德育于智育。

在教學設(shè)計中涉及2 個實驗：設(shè)計“螢火蟲發(fā)光原因”實驗過程中，檢索文獻發(fā)現(xiàn)實驗材料可利用搗碎的螢火蟲發(fā)光器、也可用干燥后研磨成粉的螢火蟲尾部發(fā)光器[3-5]；或利用熒光素加熒光素酶等[6-7]。本文采用直接剪下螢火蟲發(fā)光器放置一段時間后進行實驗，此方法簡單易行，可在課堂教學中完成?！疤骄颗Ｍ茈枘c肌收縮實驗”則需要在解剖鏡下觀察，并通過攝像頭記錄動態(tài)變化，不易在課堂中完成。教師可課前錄制視頻，經(jīng)剪輯后使實驗現(xiàn)象更明顯。