楊馨然：利用自制教具培養學生的學科素養
時間：2025-07-09 來源：
利用自制教具培養學生的學科素養
成都冠城實驗學校 楊馨然
多樣化教學方式的結合使用，除了可以使得課堂變得豐富有趣，更能讓學生多角度深化理解所學知識。其中，利用教具教學可以讓教師可視化展示物質的結構、變化過程等，便于學生理解。同時，學生在擺弄教具的過程中，可以在觸覺、視覺上加深印象，教師也能通過學生的模型拼湊活動檢測學生對知識的掌握情況。
基于以上理論背景，本文以“細胞的能量‘貨幣’ATP”一節為例，展示利用自制的教具進行的教學設計過程。
一、新舊教材的對比分析
《普通高中生物學課程標準（2017年版2020修訂版）》中對本節的要求是“解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”。根據結構與功能觀的觀點“物質的功能是由其結構決定的”，ATP的分子結構決定了它是直接的能源物質。關于這一點的進一步解釋，舊教材指出ATP分子中兩個相鄰的磷酸基團之間有高能磷酸鍵，該鍵儲存大量能量，斷鍵可釋放，但這與化學教材中化學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“特殊的化學鍵”，還對ATP水解為何能釋放大量能量做了更深入的解釋，即：ATP的磷酸基團間因帶負電荷而相互排斥，尤其是末端的磷酸基團具有較高的轉移勢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、化學上的基團勢能等知識相符，提高了學科間的一致性。
關于ATP和ADP的相互轉化，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上將ATP和ADP這兩個物質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”，有意避免學生誤認為ATP和ADP的轉化是可逆過程。
二、學情分析
對ATP結構的認識是本節學習的難點之一，學生會出現的誤區包括但不限于：此前學習的“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；磷酸基團是跟核糖的五號位碳原子相連，而五號位碳原子在環外，所以結構上會呈現“拐彎”；磷酸基團之間是通過特殊化學鍵相連。這些問題直接去說、靠學生想象太過蒼白；如果直接問學生，他們一時或能回答正確，但是等做題遇到考查ATP結構時，往往正確率不高。
此時使用教具好處就體現出來了：一來激發學生的興趣；二來結合教具進行小組探究活動，學生可以真實地觸碰它，在感官刺激中加深印象，從而促進學生的認知發展，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，檢測學生的學習情況。
三、學習目標
（一）構建ATP的分子結構模型，認同其結構與功能相適應的觀念，能根據簡式說出ATP的化學組成和特點（生命觀念）。
（二）通過構建ATP水解和合成過程反應式的活動，理解ATP和ADP可以相互轉化，其轉化過程釋放的能量可用于細胞生命活動（科學思維）。
四、教學重難點
ATP的化學組成、結構特點及其在能量代謝中的作用。通過ATP與ADP相互轉化的特點，解釋ATP是驅動生命活動的直接能源物質。
五、自制教具
為了便于在黑板上展示和方便學生運用，同時考慮到操作便捷和性價比的問題，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ATP分子的結構模型，及ATP和ADP轉化過程的反應式，且用于小組合作，每一套磁吸卡片中包括以下樣式：2個長方形表示腺嘌呤、2個五邊形表示核糖、6個圓形表示磷酸基團、6個一字小方條表示普通的化學鍵、4個波浪形符號表示特殊的化學鍵、1個爆炸型圖案表示能量、2個加號、1個寫有“酶”字的箭頭。此外，教師也需要在黑板上展示，所以可以再準備一套放大版的。
六、教學過程
（一）新課引入
通過兩則資料的展示提出問題，進而引出本節對ATP的學習。
展示最近學生在運動會上奮力奔跑的場景，提出學生在每一次擺臂、兩條腿交替跑的過程中，都涉及肌肉的收縮運動，那直接給肌肉收縮提供能量的物質是什么呢？
資料1:1929年，費斯克和羅曼分別在肌肉中發現了一種焦磷酸鹽和腺苷酸相聯系的化合物。1934年，羅曼進一步確定這種物質為腺苷三磷酸（ATP）。同年，恩格爾哈特注意到肌肉收縮需要ATP。然而此前的認知中已知細胞中的主要能源物質是葡萄糖。
提問：直接給肌肉收縮提供能量的物質是什么？
資料2：播放視頻：葡萄糖溶液和ATP溶液對牛蛙腓腸肌收縮的影響。
提問：從實驗結果中可以得出什么結論？
從這兩則資料，學生對ATP這個東西有了初步認識，知道它才是真正直接給肌肉收縮供能的物質，那是否還有其他生命活動也是通過ATP直接供能？供能機制如何呢？這就是接下來要解決的問題。
（二）課前自學，展現成果
在正式上課前一天，要求學生預習本節內容，并完成導學案上知識填空部分。上課時，一起回顧和深入認識ATP的結構，強調其中的五碳糖是核糖而非脫氧核糖，這里還可以進一步回顧對核糖和脫氧核糖的區分。其次認識到ATP中磷酸基團數量的遞減分別構成了ADP和AMP，還可以發現AMP就是腺嘌呤核糖核苷酸，這又與前面核酸的知識相呼應，接著，還能引導學生推測ATP的其他功能，如可以水解后用于構建RNA。
小組合作：在小黑板上拼出一個ATP分子的結構式。五分鐘后，每個小組展示自己的成果。
學生根據此前的預習和跟教師再次的深入學習，基本上都能正確拼出ATP的模型圖，但仍有一些問題，比如磷酸基團由于是跟核糖的五號位碳原子相連，所以在核糖和磷酸基團的連接處應展現出“拐彎”的過程，但部分學生直接將它們相連起來。
（三）討論領悟，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ATP的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（注：32P具有放射性）。
提問：從實驗結果看，ATP中哪一個化學鍵更容易斷裂？為什么？
根據資料可以發現最容易斷裂的是β位與γ位磷酸基團之間的化學鍵。此外，提前預習過的學生也能在書上找到答案及原因。當然，教師在這部分也可輔以示意圖更好理解。
小組合作：嘗試在導學案上寫出ATP水解的反應式，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等等。學生基本上都能拼出正確的ATP水解反應式。
教師講解ATP水解釋放的能量可用于各項生命活動，比如大家動手拼圖、思考、吃飯、睡覺等，同時借由書上Ca2+主動運輸的例子介紹ATP供能的過程。
（四）內容梳理，總結歸納
以教材插圖5-4為模板，再次梳理ATP和ADP相互轉化過程，理解ATP水解是放能反應，ATP合成是吸能反應，同時引導學生得出ATP合成過程中的能量來源為光合作用和呼吸作用這一結論，為后續學習這兩個重要生理反應埋下伏筆。
同時據圖提出問題：ATP的水解和合成是不是可逆反應？絕大多數同學都會回答“是”，因為根據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行。這里需要強調，看起來雖然一樣，但是所需要的酶其實不同，能量也不同，所以并非可逆反應過程。
至此，本節的主要內容學習已基本結束，請學生來總結梳理本節所學知識，進行小結歸納。
（五）習題檢測，擴展提升
在課堂最后，可以設置幾道習題及時檢測學生的掌握情況，便于后續的教學安排。同時可以設置一道附加題，提升眼界、擴展學生的知識面。比如這里可以根據教材第88頁開頭的一句話“細胞中絕大多數需要能量的生命活動都是由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嗎？它們是負責些什么生命活動呢？”。
七、教學反思
在教學中，基于培養學生生物學核心素養，做到以學生發展為中心，就要始終以學生為主體，激發學生的學習欲和探究興趣。在本節課的設計中，就是以自制的磁吸教具為主要道具，讓學生動手操作，在“做中學”，進而深入理解學習內容。
此外，根據學生掌握情況可以適當提升難度，比如在準備材料時，可以多準備一些干擾項，如容易搞錯的脫氧核糖和核糖、ATCGU五種堿基、特殊的化學鍵和普通化學鍵的數量等，這就需要學生更多地進行辨析，這個過程也可以進一步加深學生對ATP分子結構的認識。
（作者系成都冠城實驗學校教師，該文2024年獲得溫江區教育科研成果二等獎）
