林靖

［摘 要］文章以模型建構(gòu)為主線落實“細胞的能量‘貨幣ATP”的三個考點的復(fù)習。首先，通過建立概念模型和物理模型的方法梳理考點一“ATP的結(jié)構(gòu)”和考點二“ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化”，并借助已建構(gòu)的模型，利用類比推理的方法進行NTP與dNTP知識的遷移與應(yīng)用；其次，通過完善以ATP為關(guān)鍵詞的有關(guān)細胞能量代謝的概念模型與建立解題范式，幫助學生理解與掌握考點三“ATP的利用”。

［關(guān)鍵詞］模型與建模；生物高考復(fù)習；ATP

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）08-0082-04

一、教學背景

“細胞與能量”是高中生物中重要的知識模塊，也是引導(dǎo)學生在學習細胞的分子的基礎(chǔ)上理解細胞內(nèi)部微觀生命活動的本質(zhì)，形成正確的物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀的重要知識載體。ATP作為細胞的直接能源物質(zhì)，是實現(xiàn)細胞能量代謝的基礎(chǔ)，是“細胞與能量”模塊的關(guān)鍵知識。

近年來，高考全國卷生物試題中ATP及其相關(guān)知識在選擇題與非選擇題中頻頻出現(xiàn)。本文對近三年部分省/市高考生物卷及全國卷生物試題中考查ATP相關(guān)知識的試題進行分析與整理（如表1）。

多數(shù)高考生物卷在選擇題中綜合考查了ATP的相關(guān)知識，而2021年高考全國甲卷生物試題第30題改變了傳統(tǒng)的考查方式，以DNA與脫氧腺苷三磷酸（dATP）分子作為知識情境載體，要求學生建構(gòu)出ATP與DNA的結(jié)構(gòu)模型，借助類比推理的方法分析比較兩者結(jié)構(gòu)的異同點，考查學生的模型建構(gòu)能力與邏輯推理能力。當前，高中生物教學注重讓學生在實踐過程中獲取知識，倡導(dǎo)通過建構(gòu)模型將微觀抽象的生物知識或規(guī)律實物化、具體化。教師在教學過程中應(yīng)引導(dǎo)學生基于生物學事實和證據(jù)，有效運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等方法分析解決問題，幫助學生逐步發(fā)展科學思維［1］。在生物高考復(fù)習教學中，教師應(yīng)積極采用模型建構(gòu)的教學策略，以發(fā)展學生的科學思維。本文重點論述如何以模型建構(gòu)為主線落實“細胞的能量‘貨幣ATP”的三個考點的復(fù)習。

二、教學實施

環(huán)節(jié)一：導(dǎo)入情境，感知考點

在生物高考復(fù)習教學中，教師應(yīng)讓學生明確教材中不同章節(jié)內(nèi)容的考點定位。在“細胞的能量‘貨幣ATP”的復(fù)習課中，教師可以一道不定項選擇題為知識載體，導(dǎo)入情境，引導(dǎo)學生感知考點。此不定項選擇題的內(nèi)容考查匹配ATP的三個考點，即考點一“ATP的結(jié)構(gòu)”、考點二“ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化”、考點三“ATP的利用”。教師在引導(dǎo)學生判斷選項正誤時，要求學生在教材中查找對應(yīng)考點的來源，幫助學生梳理ATP內(nèi)容的復(fù)習邏輯與思路。

【不定項選擇題】 ATP是細胞的能量“通貨”，下列關(guān)于ATP的敘述錯誤的是（）。

A.由1個脫氧核糖、1個腺嘌呤和3個磷酸基團組成

B.分子中磷酸基團之間相連的化學鍵稱為特殊化學鍵

C.在水解酶的作用下可不斷地合成和水解

D.釋放的能量可用于肌肉收縮、興奮傳導(dǎo)等活動

環(huán)節(jié)二： 聚焦原模，落實考點

考點一：ATP的結(jié)構(gòu)

ATP的知識框架包含ATP的中文名稱、元素組成、結(jié)構(gòu)簡式、能量儲存的位置等知識內(nèi)容，教師可以結(jié)合ATP的相關(guān)知識內(nèi)容與學生一起建立概念模型（如圖1），由此開啟復(fù)習進程，逐步落實三個考點的復(fù)習。

教師可依托學案引導(dǎo)學生使用矩形、圓形、五邊形（分別代表腺嘌呤、核糖、磷酸基團）以及線條自主繪圖建構(gòu)ATP的結(jié)構(gòu)原模型（如圖2）。

學生在繪圖時往往存在兩個誤區(qū)：（1）直接使用直線將磷酸基團與核糖的4′號碳相連，而忽略了核糖與磷酸基團之間存在5′號碳；（2）將核糖的5′號碳的曲線折點繪于腺嘌呤與核糖之間?；诖耍龑W生完成繪圖后教師可選取部分學生繪制的結(jié)構(gòu)原模型進行展示，并要求學生口頭表述圖形結(jié)構(gòu)所表示的含義。

通過建立ATP的結(jié)構(gòu)原模型，一方面可加深學生對分子結(jié)構(gòu)的認識，培養(yǎng)學生的空間感，引導(dǎo)學生類比與辨析RNA與ATP結(jié)構(gòu)中共同含有的“A”的差異；另一方面可為考點二“ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化”的復(fù)習做好鋪墊。

考點二和考點三：“ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化”及“ATP的利用”

ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化是細胞內(nèi)生命活動的能量供應(yīng)機制，是時刻不停地發(fā)生并且處于動態(tài)平衡之中的。在復(fù)習此內(nèi)容時，教師可以在ATP與ADP的結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上補充完善ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化過程中的能量與物質(zhì)的變化，讓學生直觀地理解ATP與ADP在不同的條件下可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。教材的插圖容易讓學生認為ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過程是可逆的，對此教師可提出問題：ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過程所需的酶是同一種酶嗎？ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過程是否可逆？學生認真思考并借助教材插圖，很快理解了ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過程所需的酶不同：ATP的合成需要ATP合成酶，ATP的水解需要ATP水解酶。最后，教師可要求學生在學案中默寫出ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的表達式（如圖3）。

教師通過問題“ATP是細胞的直接能源物質(zhì)，那么合成ATP的能量來自哪里呢？”引導(dǎo)學生思考。學生通過思考問題以及閱讀教材，分析出ATP合成時所需的能量可來自光合作用與呼吸作用。教師接著呈現(xiàn)光合作用與呼吸作用的過程模式圖，引導(dǎo)學生嘗試理解：各反應(yīng)中的葡萄糖、光、ATP均是能量的載體，在呼吸作用中葡萄糖中的化學能轉(zhuǎn)化為ATP中活躍的化學能，以供給細胞內(nèi)的吸能反應(yīng)所使用；在光合作用的光反應(yīng)中光能轉(zhuǎn)化為活躍的化學能并儲存在ATP中，而在暗反應(yīng)中ATP中的活躍化學能則轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學能并儲存在糖類中。這樣不僅能讓學生理解教材中呈現(xiàn)的ATP合成時能量來源的示意圖，還能讓學生理解ATP合成過程中的能量不是特定的，而是可轉(zhuǎn)化的。

ATP的合成、水解和細胞呼吸作用中的放能、吸能反應(yīng)一直是學生的困惑點，對此教師可借助教材中細胞呼吸的三個階段需要釋放能量，及離子通過主動運輸實現(xiàn)跨膜等生理過程需要消耗能量，來幫助學生總結(jié)得出以下結(jié)論：ATP水解時釋放的能量可用于細胞內(nèi)的吸能反應(yīng)，細胞內(nèi)許多放能反應(yīng)釋放的能量儲存在ATP中，從而引導(dǎo)學生完善ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化過程中能量的來源與去路的模式圖（如圖4）。

環(huán)節(jié)三：運用原模，拓展延伸

近幾年高考生物試題多次對ATP進行延伸考查。高考生物試題在注重考查基礎(chǔ)知識的同時，著重考查學生靈活調(diào)用所學知識解決問題的能力。因此，在生物高考復(fù)習教學中，教師可創(chuàng)設(shè)試題情境，讓學生借助已建構(gòu)的模型對試題進行分析、推理與作答。如可選擇2016年高考全國Ⅰ卷生物試題第29題第（1）、（2）問及2021年高考全國甲卷生物試題第30題第（1）問作為試題情境1和試題情境2，對ATP的結(jié)構(gòu)進行“原?！睉?yīng)用訓練。試題情境1的第（1）問考查學生對ATP的結(jié)構(gòu)模型的認知程度；試題情境1的第（2）問與試題情境2通過不同的設(shè)問方式考查學生對dATP與DNA的基本單位的結(jié)構(gòu)異同點的掌握情況，幫助學生在宏觀與微觀的相互切換中將看不見、摸不著的微觀問題宏觀化，利用微觀知識去探尋宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)原因，同時深化學生對ATP的科學概念的理解，強化學生對論述題答題表述的訓練。

試題情境1：（2016年高考全國Ⅰ卷生物試題第29題節(jié)選）在有關(guān)DNA分子的研究中，常用32P來標記DNA分子，用[α]、 [β]和[γ]表示ATP或dATP（d表示脫氧）上三個磷酸基團所處的位置（A—Pα～Pβ～Pγ或dA—Pα～Pβ～Pγ）?；卮鹣铝袉栴}：

（1）某種酶可以催化ATP的一個磷酸基團轉(zhuǎn)移到DNA末端上，同時產(chǎn)生ADP。若要用該酶把32P標記到DNA末端上，那么帶有32P的磷酸基團應(yīng)在ATP的? ? ? ? ? ? ? ? （填“α”“β”或γ”）位上。

（2）若用帶有32P的dATP作為DNA生物合成的原料，將32P標記到新合成的DNA分子上，則帶有32P的磷酸基團應(yīng)在dATP的? ? ? ? ? ? ? ? （填“α”“β”或γ”）位上。

試題情境2：（2021年高考全國甲卷生物試題第30題節(jié)選）用一段由放射性同位素標記的DNA片段可以確定基因在染色體上的位置。某研究人員使用放射性同位素32P標記的脫氧腺苷三磷酸（dATP，dA—Pα～Pβ～Pγ）等材料制備了DNA片段甲（單鏈），對W基因在染色體上的位置進行了研究，實驗流程的示意圖如下。

回答下列問題：

（1）該研究人員在制備32p標記的DNA片段甲時，所用dATP的α位磷酸基團中的磷必須是32P，原因是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

通過以上試題訓練，學生已熟知ATP結(jié)構(gòu)中的“A”代表腺苷，但會產(chǎn)生這樣的困惑：能否將A替換成G、C、U，甚至是T呢？因此，在生物高考復(fù)習教學中教師有必要為學生拓展NTP與dNTP的相關(guān)知識，并利用類比推理的方法引導(dǎo)學生將ATP的結(jié)構(gòu)模型進行初步分解、替換。如學生已經(jīng)了解腺苷包含核糖與腺嘌呤，由此類推將堿基腺嘌呤替換為鳥嘌呤，則該物質(zhì)應(yīng)命名為鳥苷；同理也存在胞苷和尿苷結(jié)構(gòu)。那是否存在胸苷呢？教師可借助核酸的知識，引導(dǎo)學生推斷出胸腺嘧啶不能與核糖結(jié)合，因此不存在胸苷，但胸腺嘧啶能與脫氧核糖結(jié)合形成脫氧胸苷。

ATP是腺苷與三個磷酸基團結(jié)合形成的，故命名為腺苷三磷酸，教師可引導(dǎo)學生再以此進行類比推理，如鳥苷與三個磷酸基團結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)命名為鳥苷三磷酸（GTP）；脫氧胸苷與三個磷酸基團結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)命名為脫氧胸苷三磷酸（dTTP）；等等。教師最后總結(jié)歸納，并通過下面的試題訓練，強化學生對ATP知識的應(yīng)用，為學生補充“ATP不是細胞內(nèi)唯一的直接能源物質(zhì)”等知識。

試題情境3（單選題）：生物體內(nèi)含有ATP、GTP、UTP、CTP等高能磷酸化合物，它們結(jié)構(gòu)上的差異是組成分子的堿基種類不同，功能上的差異主要體現(xiàn)在為生命活動供能的情況不同（如下表）。下列相關(guān)敘述正確的是（）。

A.蛋白質(zhì)合成過程中消耗的能量可來自ATP和GTP

B. UTP三個高能磷酸鍵斷裂所釋放能量供糖原合成

C. CTP中“C”是由胞嘧啶和脫氧核糖構(gòu)成的

D. 細胞內(nèi)的吸能反應(yīng)一般與高能磷酸化合物合成相關(guān)

環(huán)節(jié)四： 完善原模，建立解題范式

通過以上三個環(huán)節(jié)，學生已完成對ATP的結(jié)構(gòu)模型與概念模型的建構(gòu)，接著教師借助一道與ATP相關(guān)聯(lián)的細胞能量代謝類試題，引導(dǎo)學生通過對試題情境的思考與判斷，理解本章“細胞與能量”中的次位概念“細胞的能量‘貨帀ATP”，并在學案中構(gòu)建以ATP為關(guān)鍵詞的細胞能量代謝概念模型（如圖5），以此幫助學生進一步完善對已有模型的認知，體悟知識體系是以核心關(guān)鍵詞為中心，將有聯(lián)系的知識系統(tǒng)化整合而成的。

《中國高考評價體系》明確提出“四翼”要求，即高考考查要注重知識的基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性，倡導(dǎo)價值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識為基的綜合評價理念。高考要求學生學會將基礎(chǔ)知識內(nèi)容、模塊內(nèi)容、學科內(nèi)容融會貫通，并能夠運用所學知識解決實際問題，即在多元化的試題情境中精準把握關(guān)鍵信息，靈活調(diào)用頭腦中已建構(gòu)的知識框架中的相關(guān)知識進行有效答題。然而學生在解題時常發(fā)現(xiàn)，已建構(gòu)的知識“原?！迸c題目不符，這就需要教師引導(dǎo)學生聚焦原模、運用原模、完善原模以及建立解題范式，以此訓練與發(fā)展學生的科學思維，提升學生運用知識解決實際問題的能力。

三、教學反思

本節(jié)課以模型建構(gòu)作為教學主線，從建構(gòu)ATP概念模型進階到建構(gòu)細胞能量代謝概念模型，多角度剖析了ATP的知識構(gòu)架以解釋其作為細胞內(nèi)生命活動的直接能源物質(zhì)的地位，幫助學生樹立“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念。同時，借助高考試題對學生進行思維訓練，引導(dǎo)學生在尊重生物學客觀規(guī)律和事實的基礎(chǔ)上提取試題情境中的關(guān)鍵信息，運用類比推理的方法辨析ATP與dATP結(jié)構(gòu)的異同點，運用邏輯推理的方法拓展NTP與dNTP 的知識，使學生在本節(jié)課中體悟到“從生物能量學的角度來看，細胞中化學性質(zhì)活躍的物質(zhì)不只有ATP”。最后，教師通過引導(dǎo)學生建構(gòu)以ATP為關(guān)鍵詞的細胞能量代謝概念模型，使學生認識到ATP是生化系統(tǒng)的核心，ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化與細胞內(nèi)各種代謝相耦聯(lián)，掌握“細胞的能量‘貨幣ATP”這一次位概念，進而提升與發(fā)展學生的科學思維。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 劉恩山，曹保義.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2020.

［3］? 劉軍，馬建興，吳紅漫，等.高中生物學新課標案例解讀［M］.北京：北京師范大學出版社，2020.

［4］? 教育部考試中心.中國高考評價體系［M］.北京：人民教育出版社，2019.

（責任編輯 黃春香）