高中生物细胞的能量“货币”ATP教案

这是一份高中生物细胞的能量“货币”ATP教案，共10页。教案主要包含了教材分析及设计思路，学习目标，教学过程，教学反思等内容，欢迎下载使用。

一、教材分析及设计思路
本节课是人教版高中生物学必修 1 第 5 章第 2 节的内容，在学生掌握了酶、糖类、蛋白质等有机物的相关知识后，教师再展开本节课教学。学生能认识到糖类是主要的能源物质，但对 ATP 的结构和功能比较陌生，对"ATP是直接能源物质，能为各项生命活动提供能量”
缺乏认识。因此，教师要通过模型构建、视频展示、动画设计、活动模拟、资料分析、归纳概括等一系列活动，让学生认同"ATP 是直接能源物质，能为各项生命活动提供能量”。ATP 与 ADP 的相互转化是本节课的难点，学生在了解了两者之间能量的来源和去向后可以更好地学习能量细胞代谢知识，为高中"DNA 分子结构”的学习做好准备[1]。
二、学习目标
基于课程标准和核心素养要求，本节课的学习目标如下：
（1）观看物理天才霍金的相关视频，阐明科学探究实验的流程和原则，设计探究实验，得到"ATP 是直接能源物质”的证据，认同科学探究是不断质疑与探索的过程。（科学探究，社会责任）
（2）构建模型，分析相关资料，简述 ATP 结构的特点，说明ATP 被称为高能磷酸化合物的原因，分析 ATP 和 ADP 相互转化的机制，辨析两个反应的区别和联系，认同生物界的统一性、物质与能量相伴随、结构与功能相适应、稳态与平衡相协调。（生命观念，科学思维）
（3）对主动运输实例进行配音模拟，说出 ATP 水解和合成与吸能、
放能反应之间的关系，构建概念模型，归纳 ATP 水解后释放能量去向的机理。
（科学思维）
（4）观看视频，阅读资料，联系我国的科学研究成果，撰写 ATP 简历，增强民族自豪感，关注社会发展，形成健康的生活理念。（社会责任） 三、教学过程
1.创设情境，探究“ATP 是直接能源物质”的证据教师播放有关物理天才霍金的视频并讲解：霍金不断地探究着宇宙的奥秘，并与病魔做着斗争。渐冻症并没有冻结他的灵魂，反而让他熠熠生辉。教师导入课程：
治疗渐冻症的一种药物是三磷酸腺苷二钠片，即 ATP。那么，ATP 是什么？本节课我们一起学习。
【设计意图】霍金的视频不仅能让学生对科学家产生敬佩之情，还能让学生了解渐冻症知识，引发学生对这类人群的关注和关爱，提升学生的社会责任感，为高中“人类遗传病”的学习做好准备。
学生提出问题：为什么 ATP 可以治疗渐冻症？人体肌肉收缩是需要能量的，那么，能量源于什么？主要的能量物质是糖类，那么，是糖类直接提供能量，还是 ATP？
教师引导学生提出假设-"ATP 是直接能源物质”。（学生分小组探究实验）实验材料：蛙的两块活的腓肠肌。
试剂与用具：任氏液（两栖动物的生理盐水）、
0.3g/mL 葡萄糖溶液、0.3g/mL ATP 溶液、铜锌叉（用于刺激肌肉）、载玻片、镊子等。
实验要求：将实验的基本流程绘制在学案上：遵循实验设计原则：用简洁、科学的语言描述实验思路，并预测实验结果。
评价要求：评价其他小组的实验设计是否合理，并阐述理由。
证据：以教师做的实验结果作为该探究活动的证据，证明使肌肉收缩的直接能源物质是 ATP。【设计意图】学生对腓肠肌收缩的直接能量来源进行探究，通过视频了解 ATP 药物，掌握探究性实验的一般思路：发现问题—提出假设—设计实验—预期结果—得到证据。学生在讲台前展示实验过程，但要注意实验设计的基本原则，即对照原则、单一变量原则、等量原则[2]。
2.构建模型，掌握 ATP 的基本结构学生在认同“ATP 是直接能源物质”后产生了疑问：什么样的 ATP 结构能够为肌肉收缩提供能量呢？我们学习过 RNA 的结构，RNA 在体内合成的原料是 ATP，它们之间有什么关系呢？（学生合作完成 ATP 的结构模型）
实验要求：结合教材 86 页第三段的知识，回忆 RNA 的基本结构（图 1）：构建 ATP 结构模型并展示在白板上；有选择性地使用材料，将各部分用胶粘起来；构建 ATP 结构的物理模型，限时 2 分钟。
展示要求：在讲台前展示，一人拿白板，一人展示，语言表述要简洁。
学生展示模型，思考以下问题：ATP 中 A、T、P 分别代表什么？红色键是什么意思？ATP的中文名称是什
称为高能磷酸化合物的原因。教师应组织学生合作体验
“ATP 为什么具有较高的转移势能”。
么？写出 ATP 的结构简式（图 2），并进一步思考 ATP 被
教 师 讲
解：两个相邻的磷酸基团带负电荷且相互排斥，就像弹簧被压缩了一样，导致化学键不稳定，末端磷酸基团有远离 ATP 而与其他分子结合的趋势，因此具有较高的转移势能。
【设计意图】学生猜测肌肉收缩提供能量的结构，了解 RNA 相关知识，自主构建 ATP 结构，展示并思考问题，总结 ATP 的结构特点、简式等，进一步体验模型中弹簧键的不稳定性，明确 ATP 被称为高能磷酸化合物的原因是其具有较高的转移势能，认同"ATP 是直接能源物质”。
3.模型深化，ATP 与 ADP 的相互转化在上述模型中，ATP 水解后转化为更加稳定的 ADP ，形成游离的磷酸。
资料 1：人体中的 ATP 总量大约有 50g，人在剧烈运动时，ATP 的消耗
可达 8g/s，即使人持续剧烈运动，人体内的 ATP 含量也不会降为 0[3]。
在一定条件下，ATP 会发生什么样的变化呢？物质存在于细胞中，可以被循环利用。结合酶催化反应前后不变的原理，教师可以引导学生进行小组合作，探究 ATP 的模型。
实验要求：在原有 ATP 模型基础上完成 ATP 水解和生成过程。
展示要求：在讲台前展示，一人拿白板，一人展示，语言表达要简洁。
评价要求：补充展示小组的框架，完善组内模型。
（模型构建，学生在学案上完成 ATP 与 ADP 相互转化的反应式）
资料 2：人体中的 ATP 总量大约为 50g，但成年人在安静状态下每天消耗 ATP 大为 50 kg 或更多。资料 3：将 32P 标记的磷酸盐加入细胞培养液，短时间内分离出 ATP，其总量变化不大，但大部分 ATP 的末端磷酸基团已经带有放射性标记。
学生通过模型构建和学习相关资料，可以知道三个知识：ATP 与 ADP相互转化：ATP 在细胞中的含量很少：ATP 与 ADP 之间的转化速度非常快。
教师讲解：所有生物细胞都应用这种转化机制，体现了生物界的统一性。
教师提问：ADP 转化为 ATP 的过程中，所需能量源于哪里？
（展示学生在学习第三章时自主构建的细胞物理模型，让学生回忆两种细胞器的作用）
教师讲解：线粒体和叶绿体均与能量转化有关。我们结合初中所学知识可知，ATP 合成的能量来源是光能和呼吸作用化学能（图3）。
教 师
提问：ATP 水解能量的去向呢？各种各样的生命活动均需 ATP 提供能量，其释放的能量可以转化为哪些能量？（图 4）ATP 合成与水解是可逆反应吗？
（学生在学案上完善模式图）
【设计意图】学生借助资料进行分析与合作，构建 ATP 与 ADP 相互转化的模型，体会物质是可以被循环利用的，通过分析能量的来源、去向、场所、酶等，认识到能量是不能被循环利用的，两个反应不是可逆反应。学生通过分析相关资料，知道 ATP 在细胞中的含量很少，但转化速度非常快，能够归纳出"ATP 与 ADP 的转化机制是生物界的共性”。
4.联系实际，利用 ATP ATP 释放的能量是如何用于各项生命活动的？以主动运输为例，学生参照教材，展示主动运输的动画
（图 5），小组学生共同准备配音稿（限时 2 分钟），完成学习活动。展示要求：语言表达要生活化，对关键步骤进行详细讲解。
在学生配音结束后，教师可以引导学生归纳以下内容：ATP 释放的磷酸基团能使蛋白质等分子磷酸化，这些分子的活性被改变，将参与各种化学反应。
（返回到有关“渐冻症”知识的视频，补充资料）
资料 4：肌肉收缩时，ATP 与肌球蛋白非共价结合（磷酸化是共价结合），使肌球蛋白维持这一构象；当肌球蛋白催化 ATP 水解时，ADP 和 Pi 就从肌球蛋白上脱离，使肌球蛋白转变为另一种构象，直到另一个 ATP 分子结合上去；ATP 的（非共价）结合和随后的水解为肌球蛋白的构象及变化提供了能量。这就是 ATP 可以治疗渐冻症的原理。
教师提问：主动运输过程也是一个吸能反应，同学们还能举出哪些吸能反应和放能反应？它们与 ATP 的合成和水解又有什么关系？同学们合作完成概念模型（图 6）。
教 师 总结：为什么葡萄糖不是直接的能源物质？
ATP 更像是手中的零钱，而葡萄糖、脂肪更像是银行卡里的储蓄金，所以 ATP 是细胞内流通的“货币”。
【设计意图】ATP 的能量用于主动运输。教师可以让学生进行动画配音，提升学生的语言表达能力，增强
学生的图文识别能力；设置趣味性活动，让学生掌握利用能量的深层原因，理解渐冻症的相关内容，拓展 ATP 治疗渐冻症的原理，加深学生对磷酸化的印象：让学生构建模型，对吸能与放能反应之间的关系进行归纳与概 括，从而联系实际，服务于生活[4]。
5.联系实际，提升素养
师生一起朗诵杜牧的诗——《秋夕》，并思考问题：萤火虫发光有能量的转化吗？银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤。天街夜色凉如水，卧看牵牛织女星。
（1）发光的树
科学家利用萤火虫的发光原理（图 7），将荧光素酶基因导入植物，再用荧光素浇灌植物，使转基因植物在黑暗中发光，从而培育出一种能发光的“荧光树”。
（ 2） 掌 上ATP 荧光检测仪我们可以用掌上 ATP 荧光检测仪检测食品的安全性，比如，
检测大肠杆菌的数量。因为微生物呼吸能产生大量的 ATP，此科技应用了萤火虫的发光原理。
（3）美丽景观塑造者
教师播放视频，展示南京紫金山萤火虫纷飞的美丽景观。
（4）美丽景观破坏者
捕萤人导致萤火虫的数量越来越少。
【设计意图】这一模块的主要目的是让学生联系实际，学会应用。从朗读小诗到分析萤火虫发光原理，引出人们利用萤火虫的发光原理培育出“荧光树”，发明了掌上 ATP 荧光检测仪等，使人们深深受益。萤火虫为
我们的生活增添了情趣，让我们欣赏到了美丽的景观，但其数量在锐减，由此引发学生关爱生命，保护环境，追求人与自然的和谐发展间。
6.小结
学生撰写 ATP 简历（限时 5 分钟）。
【设计意图】检测学生对本节课内容的掌握情况，考查学生的应用水平。
四、教学反思
在本节课教学中，通过让学生观看三个视频（霍金、腓肠肌收缩、南京紫金山萤火虫）、构建四次模型（物理模型三次、概念模型一次）、上台展示、动画配音、撰写简历、课上发言、小组合作和讨论等，教师实现了教学目标， 也让学生明确了"ATP 是直接能源物质”。课上习题，可以直接检测学生对基础知识的掌握情况；实验设计题等高阶思维问题，可以提升学生的科学思维能力：联系实际活动，能让学生做到学以致用，关注生活，保护环境，热爱生命。教师应掌握好每一环节的教学节奏，注意首尾呼应，发展学生的思维，帮助学生构建知识体系。