中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》建議在教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，不僅有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)、科學(xué)的思想方法及跨學(xué)科的科學(xué)概念和過(guò)程，還有助于學(xué)生建立科學(xué)的生命觀，逐步形成正確的世界觀，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)?！翱鐚W(xué)科\"概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代的美國(guó)，其指出要綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜問(wèn)題。基于這一理念，學(xué)生在分析某學(xué)科的問(wèn)題時(shí)，應(yīng)打破學(xué)科界限，整合多學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，以產(chǎn)生新的理解、構(gòu)建更全面的認(rèn)知。在高中生物學(xué)教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)學(xué)科交叉的領(lǐng)域，教師可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)生物學(xué)概念的深度理解，進(jìn)而形成科學(xué)的思維方法，以此體現(xiàn)學(xué)科育人的價(jià)值。

1教學(xué)分析及設(shè)計(jì)思路

“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP\"是人教版普通高中教科書《生物等·必修1·分子與細(xì)胞》第5章第2節(jié)的內(nèi)容?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)本節(jié)的內(nèi)容要求是：解釋ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。教師需要提供一系列事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究分析，逐步構(gòu)建這一概念。本節(jié)內(nèi)容與化學(xué)、物理和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)聯(lián)系緊密，是高中生進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)的良好材料。教師通過(guò)多學(xué)科整合，幫助學(xué)生明確ATP的生理功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、能量轉(zhuǎn)變以及ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，進(jìn)而理解ATP在細(xì)胞能量代謝過(guò)程中作為傳遞媒介的關(guān)鍵作用（見(jiàn)圖1）。

2教學(xué)目標(biāo)

（（1）通過(guò)學(xué)習(xí)ATP的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀解釋ATP的功能，理解ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化在新陳代謝中的作用，初步形成物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀的生命觀念。

（②能夠基于科學(xué)史資料，結(jié)合小組合作構(gòu)建和教師演示的物理模型，歸納概括ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和能量來(lái)源，進(jìn)一步構(gòu)建ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的概念模型，發(fā)展科學(xué)思維。

（3）能夠設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究肌纖維收縮的直接能源物質(zhì)，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，提高實(shí)踐能力。

（4能夠利用所學(xué)知識(shí)解釋腺苷三磷酸二鈉能夠輔助治療進(jìn)行性肌萎縮的原理，養(yǎng)成崇尚科學(xué)、熱愛(ài)運(yùn)動(dòng)的習(xí)慣，進(jìn)而培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

3教學(xué)過(guò)程

3.1開(kāi)展小組實(shí)驗(yàn)，探究ATP的功能

教師播放運(yùn)動(dòng)會(huì)上短跑比賽的近景視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀察運(yùn)動(dòng)員腿部肌肉的變化并提出問(wèn)題：運(yùn)動(dòng)員跑步時(shí)肌肉收縮所需的能量是由什么物質(zhì)直接提供的？部分學(xué)生猜測(cè)是葡萄糖，教師借此展示一種新物質(zhì)“ATP”，引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，并以此驅(qū)動(dòng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究直接為肌纖維收縮提供能量的物質(zhì)是葡萄糖還是ATP。接著，教師展示材料用具，并利用化學(xué)知識(shí)解釋電流能夠刺激神經(jīng)從而產(chǎn)生動(dòng)作電位使肌肉收縮。

設(shè)計(jì)意圖：教師創(chuàng)設(shè)運(yùn)動(dòng)會(huì)的真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)明確ATP的生理功能，進(jìn)而提出“直接為肌纖維收縮提供能量的物質(zhì)是葡萄糖還是ATP”的問(wèn)題，幫助學(xué)生綜合運(yùn)用不同學(xué)科知識(shí)探究ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作用機(jī)制。

3.2利用化學(xué)成鍵原理，解析ATP的結(jié)構(gòu)

資料一：1935年，羅曼（K.Lohmann）確定了ATP由1個(gè)核糖、1個(gè)腺嘌呤和3個(gè)磷酸基團(tuán)組成。

資料二：1941年，李普曼（F.A.Lipmann）用符號(hào)4 ～ ”代表連接磷酸基團(tuán)的“特殊化學(xué)鍵”。

教師據(jù)此提出問(wèn)題：從化學(xué)角度分析，為什么這種特殊化學(xué)鍵不穩(wěn)定？教師以此引導(dǎo)學(xué)生理解：磷酸基團(tuán)在水溶液中能電離出氫離子，導(dǎo)致磷酸基團(tuán)都帶負(fù)電荷，因此必須消耗能量才能克服磷酸基團(tuán)之間的斥力。之后教師結(jié)合具體數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：ATP是一種高能磷酸化合物。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用化學(xué)共價(jià)鍵的形成原理和電離作用，幫助學(xué)生驗(yàn)證ATP結(jié)構(gòu)模型的合理性并深度探究ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為學(xué)生學(xué)習(xí)ATP的水解過(guò)程奠定基礎(chǔ)。

3.3結(jié)合物理能量觀，推理ATP的利用

教師展示ATP的物理模型并根據(jù)能量守恒定律提出問(wèn)題：ATP水解過(guò)程中發(fā)生了怎樣的能量轉(zhuǎn)變？學(xué)生結(jié)合物理學(xué)科相關(guān)知識(shí)，明確高能磷酸鍵斷裂的過(guò)程是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的過(guò)程。由此，學(xué)生自主書寫出ATP水解的反應(yīng)式，列舉出釋放的能量可以用于哪些生命活動(dòng)，并逐一說(shuō)明其中的能量轉(zhuǎn)變過(guò)程。

教師提問(wèn)：“ATP水解釋放的能量如何使細(xì)胞完成主動(dòng)運(yùn)輸？”同時(shí)播放視頻，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察磷酸基團(tuán)的去向和載體蛋白的變化。學(xué)生根據(jù)視頻對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行排序，總結(jié)載體蛋白的作用，明確ATP的供能機(jī)制。

設(shè)計(jì)意圖：教師帶領(lǐng)學(xué)生將ATP中高能磷酸鍵斷裂后的能量轉(zhuǎn)變過(guò)程具象化，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解ATP水解釋放的能量可轉(zhuǎn)化為其他形式的能量并驅(qū)動(dòng)細(xì)胞進(jìn)行各項(xiàng)生命活動(dòng)，進(jìn)而形成物理與生物學(xué)相關(guān)聯(lián)的跨學(xué)科能量觀。

3.4構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，理解ATP的轉(zhuǎn)化

教師呈現(xiàn)有關(guān)ATP發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史資料及人體中ATP的含量、消耗和轉(zhuǎn)化的資料，并提出問(wèn)題：ATP如此重要，其在細(xì)胞中的含量是否較高？細(xì)胞中的ATP在能量供求過(guò)程中存在什么問(wèn)題？ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化有什么特點(diǎn)？

學(xué)生通過(guò)閱讀科學(xué)史資料，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中ATP的含量很少，且人體中存在ATP總量很少而消耗量很大的能量供求問(wèn)題。學(xué)生利用資料信息繼續(xù)推測(cè)出ATP與ADP可以快速進(jìn)行轉(zhuǎn)化并維持動(dòng)態(tài)平衡，以此解決能量供求問(wèn)題。教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生回顧光合作用和細(xì)胞呼吸的已有知識(shí)，幫助學(xué)生明確合成ATP的能量來(lái)源以及ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)式。為了便于學(xué)生理解放能反應(yīng)和吸能反應(yīng)的原理，教師可以在化學(xué)反應(yīng)能量變化圖的基礎(chǔ)上構(gòu)建“ATP水解和合成的能量變化”的數(shù)學(xué)模型，直觀地說(shuō)明ATP的水解屬于放能反應(yīng)，ATP的合成屬于吸能反應(yīng)。教師引導(dǎo)學(xué)生完善ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的概念模型（見(jiàn)圖2），進(jìn)而明確ATP作為細(xì)胞內(nèi)能量“貨幣\"的重要作用。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)ATP的供求矛盾，理解ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程；結(jié)合化學(xué)反應(yīng)與能量變化原理構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，深度理解ATP的水解與合成和吸能反應(yīng)與放能反應(yīng)之間的聯(lián)系，突破思維難點(diǎn)，為后續(xù)構(gòu)建ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的概念模型提供充分依據(jù)。

3.5聯(lián)系化學(xué)電離與水解，解釋ATP的應(yīng)用

教師以肌肉收縮的真實(shí)情境為例，呈現(xiàn)進(jìn)行性肌萎縮的肌纖維變化圖片，展示藥物腺苷三磷酸二鈉片及其說(shuō)明書上的結(jié)構(gòu)式，引導(dǎo)學(xué)生利用本節(jié)所學(xué)知識(shí)解釋該藥物用于輔助治療進(jìn)行性肌萎縮的原理。學(xué)生提出新問(wèn)題：“該藥物為什么不直接利用ATP制成”，經(jīng)討論后發(fā)現(xiàn)相比于ATP電離出氫離子使溶液呈酸性，腺苷三磷酸二鈉作為磷酸鹽的溶液一般呈中性，進(jìn)入人體后不會(huì)輕易破壞人體內(nèi)的酸堿平衡，更適合作為藥物。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)分析磷酸鹽的化學(xué)特點(diǎn)，明確腺苷三磷酸二鈉既能發(fā)揮ATP的作用，又具備良好的藥物適用性，從而提高自身利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

4教學(xué)反思

本節(jié)課的教學(xué)實(shí)踐基于跨學(xué)科理念，整合多學(xué)科知識(shí)逐步解釋ATP的相關(guān)內(nèi)容，最終解決“ATP為什么能作為直接能源物質(zhì)”的生物學(xué)問(wèn)題，滲透了“實(shí)證性\"“觀察與推論\"“理論與定律\"等科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵。然而，值得反思的是學(xué)生尚未學(xué)習(xí)，跨學(xué)科教學(xué)中所運(yùn)用的化學(xué)知識(shí)，對(duì)教學(xué)的順利進(jìn)行和學(xué)生的深入理解有一定的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]張玉華.跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的水平分析與深化策略[J].全球教育展望，2023，52（3）：48-61.