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利用自制教具培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)

成都冠城實(shí)驗(yàn)學(xué)校  楊馨然

多樣化教學(xué)方式的結(jié)合使用，除了可以使得課堂變得豐富有趣，更能讓學(xué)生多角度深化理解所學(xué)知識(shí)。其中，利用教具教學(xué)可以讓教師可視化展示物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、變化過程等，便于學(xué)生理解。同時(shí)，學(xué)生在擺弄教具的過程中，可以在觸覺、視覺上加深印象，教師也能通過學(xué)生的模型拼湊活動(dòng)檢測(cè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。

基于以上理論背景，本文以“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”一節(jié)為例，展示利用自制的教具進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)過程。

一、新舊教材的對(duì)比分析

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂版）》中對(duì)本節(jié)的要求是“解釋ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)”。根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能觀的觀點(diǎn)“物質(zhì)的功能是由其結(jié)構(gòu)決定的”，ATP的分子結(jié)構(gòu)決定了它是直接的能源物質(zhì)。關(guān)于這一點(diǎn)的進(jìn)一步解釋，舊教材指出ATP分子中兩個(gè)相鄰的磷酸基團(tuán)之間有高能磷酸鍵，該鍵儲(chǔ)存大量能量，斷鍵可釋放，但這與化學(xué)教材中化學(xué)鍵斷裂消耗能量的說法相矛盾。所以修訂后的新教材不光刪除了“高能磷酸鍵”這一詞，只是說這是一種“特殊的化學(xué)鍵”，還對(duì)ATP水解為何能釋放大量能量做了更深入的解釋，即：ATP的磷酸基團(tuán)間因帶負(fù)電荷而相互排斥，尤其是末端的磷酸基團(tuán)具有較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能而更易脫離即斷鍵。更改后的這一說法也與物理中的同性相斥、化學(xué)上的基團(tuán)勢(shì)能等知識(shí)相符，提高了學(xué)科間的一致性。

關(guān)于ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化，新舊教材都利用了插圖直觀示意，但新教材在舊版插圖的基礎(chǔ)上將ATP和ADP這兩個(gè)物質(zhì)用模型圖取代原有的字母，并且刪掉了“酶”的字眼，改為“合成”和“水解”，有意避免學(xué)生誤認(rèn)為ATP和ADP的轉(zhuǎn)化是可逆過程。

二、學(xué)情分析

對(duì)ATP結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是本節(jié)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一，學(xué)生會(huì)出現(xiàn)的誤區(qū)包括但不限于：此前學(xué)習(xí)的“A”指代的是腺嘌呤，而ATP中的“A”指的是腺苷，由腺嘌呤和核糖共同組成；ATP中的五碳糖是核糖而非脫氧核糖；磷酸基團(tuán)是跟核糖的五號(hào)位碳原子相連，而五號(hào)位碳原子在環(huán)外，所以結(jié)構(gòu)上會(huì)呈現(xiàn)“拐彎”；磷酸基團(tuán)之間是通過特殊化學(xué)鍵相連。這些問題直接去說、靠學(xué)生想象太過蒼白；如果直接問學(xué)生，他們一時(shí)或能回答正確，但是等做題遇到考查ATP結(jié)構(gòu)時(shí)，往往正確率不高。

此時(shí)使用教具好處就體現(xiàn)出來了：一來激發(fā)學(xué)生的興趣；二來結(jié)合教具進(jìn)行小組探究活動(dòng)，學(xué)生可以真實(shí)地觸碰它，在感官刺激中加深印象，從而促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，包括觀察力、思維能力等方面的提升。教師也可以通過這種活動(dòng)，檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

三、學(xué)習(xí)目標(biāo)

（一）構(gòu)建ATP的分子結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)同其結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念，能根據(jù)簡(jiǎn)式說出ATP的化學(xué)組成和特點(diǎn)（生命觀念）。

（二）通過構(gòu)建ATP水解和合成過程反應(yīng)式的活動(dòng)，理解ATP和ADP可以相互轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化過程釋放的能量可用于細(xì)胞生命活動(dòng)（科學(xué)思維）。

四、教學(xué)重難點(diǎn)

ATP的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在能量代謝中的作用。通過ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，解釋ATP是驅(qū)動(dòng)生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。

五、自制教具

為了便于在黑板上展示和方便學(xué)生運(yùn)用，同時(shí)考慮到操作便捷和性價(jià)比的問題，選擇了淺色的磁吸紙，它不光可以磁吸在黑板上，還可以用筆在上面寫字涂畫。

為了能完整展示一個(gè)ATP分子的結(jié)構(gòu)模型，及ATP和ADP轉(zhuǎn)化過程的反應(yīng)式，且用于小組合作，每一套磁吸卡片中包括以下樣式：2個(gè)長(zhǎng)方形表示腺嘌呤、2個(gè)五邊形表示核糖、6個(gè)圓形表示磷酸基團(tuán)、6個(gè)一字小方條表示普通的化學(xué)鍵、4個(gè)波浪形符號(hào)表示特殊的化學(xué)鍵、1個(gè)爆炸型圖案表示能量、2個(gè)加號(hào)、1個(gè)寫有“酶”字的箭頭。此外，教師也需要在黑板上展示，所以可以再準(zhǔn)備一套放大版的。

六、教學(xué)過程

（一）新課引入

通過兩則資料的展示提出問題，進(jìn)而引出本節(jié)對(duì)ATP的學(xué)習(xí)。

展示最近學(xué)生在運(yùn)動(dòng)會(huì)上奮力奔跑的場(chǎng)景，提出學(xué)生在每一次擺臂、兩條腿交替跑的過程中，都涉及肌肉的收縮運(yùn)動(dòng)，那直接給肌肉收縮提供能量的物質(zhì)是什么呢？

資料1:1929年，費(fèi)斯克和羅曼分別在肌肉中發(fā)現(xiàn)了一種焦磷酸鹽和腺苷酸相聯(lián)系的化合物。1934年，羅曼進(jìn)一步確定這種物質(zhì)為腺苷三磷酸（ATP）。同年，恩格爾哈特注意到肌肉收縮需要ATP。然而此前的認(rèn)知中已知細(xì)胞中的主要能源物質(zhì)是葡萄糖。

提問：直接給肌肉收縮提供能量的物質(zhì)是什么？

資料2：播放視頻：葡萄糖溶液和ATP溶液對(duì)牛蛙腓腸肌收縮的影響。

提問：從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得出什么結(jié)論？

從這兩則資料，學(xué)生對(duì)ATP這個(gè)東西有了初步認(rèn)識(shí)，知道它才是真正直接給肌肉收縮供能的物質(zhì)，那是否還有其他生命活動(dòng)也是通過ATP直接供能？供能機(jī)制如何呢？這就是接下來要解決的問題。

（二）課前自學(xué)，展現(xiàn)成果

在正式上課前一天，要求學(xué)生預(yù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，并完成導(dǎo)學(xué)案上知識(shí)填空部分。上課時(shí)，一起回顧和深入認(rèn)識(shí)ATP的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)其中的五碳糖是核糖而非脫氧核糖，這里還可以進(jìn)一步回顧對(duì)核糖和脫氧核糖的區(qū)分。其次認(rèn)識(shí)到ATP中磷酸基團(tuán)數(shù)量的遞減分別構(gòu)成了ADP和AMP，還可以發(fā)現(xiàn)AMP就是腺嘌呤核糖核苷酸，這又與前面核酸的知識(shí)相呼應(yīng)，接著，還能引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)ATP的其他功能，如可以水解后用于構(gòu)建RNA。

小組合作：在小黑板上拼出一個(gè)ATP分子的結(jié)構(gòu)式。五分鐘后，每個(gè)小組展示自己的成果。

學(xué)生根據(jù)此前的預(yù)習(xí)和跟教師再次的深入學(xué)習(xí)，基本上都能正確拼出ATP的模型圖，但仍有一些問題，比如磷酸基團(tuán)由于是跟核糖的五號(hào)位碳原子相連，所以在核糖和磷酸基團(tuán)的連接處應(yīng)展現(xiàn)出“拐彎”的過程，但部分學(xué)生直接將它們相連起來。

（三）討論領(lǐng)悟，展示分享

提供不同資料，探討ATP水解和合成的問題。

資料：α、β和γ表示ATP上三個(gè)磷酸基團(tuán)所處的位置（A－P_α～P_β～P_γ），現(xiàn)有甲、乙兩組ATP溶液，甲組用³²P標(biāo)記ATP的β位的磷酸基團(tuán)，乙組用³²P標(biāo)記ATP的γ位的磷酸基團(tuán)，然后分別加入等量的ATP水解酶，短時(shí)間后迅速分離溶液中游離的磷酸基團(tuán)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有乙組中游離的磷酸基團(tuán)帶有放射性（注：³²P具有放射性）。

提問：從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，ATP中哪一個(gè)化學(xué)鍵更容易斷裂？為什么？

根據(jù)資料可以發(fā)現(xiàn)最容易斷裂的是β位與γ位磷酸基團(tuán)之間的化學(xué)鍵。此外，提前預(yù)習(xí)過的學(xué)生也能在書上找到答案及原因。當(dāng)然，教師在這部分也可輔以示意圖更好理解。

小組合作：嘗試在導(dǎo)學(xué)案上寫出ATP水解的反應(yīng)式，并在小黑板上拼出示意圖。十分鐘后，小組代表展示并講一講拼圖過程中的要點(diǎn)等等。學(xué)生基本上都能拼出正確的ATP水解反應(yīng)式。

教師講解ATP水解釋放的能量可用于各項(xiàng)生命活動(dòng)，比如大家動(dòng)手拼圖、思考、吃飯、睡覺等，同時(shí)借由書上Ca²⁺主動(dòng)運(yùn)輸?shù)睦咏榻BATP供能的過程。

（四）內(nèi)容梳理，總結(jié)歸納

以教材插圖5-4為模板，再次梳理ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化過程，理解ATP水解是放能反應(yīng)，ATP合成是吸能反應(yīng)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生得出ATP合成過程中的能量來源為光合作用和呼吸作用這一結(jié)論，為后續(xù)學(xué)習(xí)這兩個(gè)重要生理反應(yīng)埋下伏筆。

同時(shí)據(jù)圖提出問題：ATP的水解和合成是不是可逆反應(yīng)？絕大多數(shù)同學(xué)都會(huì)回答“是”，因?yàn)楦鶕?jù)他們所掌握到的來看，看起來就像是在同一條件即酶的作用下，既可以正向也可以反向進(jìn)行。這里需要強(qiáng)調(diào)，看起來雖然一樣，但是所需要的酶其實(shí)不同，能量也不同，所以并非可逆反應(yīng)過程。

至此，本節(jié)的主要內(nèi)容學(xué)習(xí)已基本結(jié)束，請(qǐng)學(xué)生來總結(jié)梳理本節(jié)所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行小結(jié)歸納。

（五）習(xí)題檢測(cè)，擴(kuò)展提升

在課堂最后，可以設(shè)置幾道習(xí)題及時(shí)檢測(cè)學(xué)生的掌握情況，便于后續(xù)的教學(xué)安排。同時(shí)可以設(shè)置一道附加題，提升眼界、擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面。比如這里可以根據(jù)教材第88頁開頭的一句話“細(xì)胞中絕大多數(shù)需要能量的生命活動(dòng)都是由ATP直接提供能量的”提出問題“那還有什么其他的直接供能物質(zhì)嗎？它們是負(fù)責(zé)些什么生命活動(dòng)呢？”。

七、教學(xué)反思

在教學(xué)中，基于培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)，做到以學(xué)生發(fā)展為中心，就要始終以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲和探究興趣。在本節(jié)課的設(shè)計(jì)中，就是以自制的磁吸教具為主要道具，讓學(xué)生動(dòng)手操作，在“做中學(xué)”，進(jìn)而深入理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。

此外，根據(jù)學(xué)生掌握情況可以適當(dāng)提升難度，比如在準(zhǔn)備材料時(shí)，可以多準(zhǔn)備一些干擾項(xiàng)，如容易搞錯(cuò)的脫氧核糖和核糖、ATCGU五種堿基、特殊的化學(xué)鍵和普通化學(xué)鍵的數(shù)量等，這就需要學(xué)生更多地進(jìn)行辨析，這個(gè)過程也可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)ATP分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

（作者系成都冠城實(shí)驗(yàn)學(xué)校教師，該文2024年獲得溫江區(qū)教育科研成果二等獎(jiǎng)）