5.2細(xì)胞的能量“貨幣”ATP教案本教學(xué)設(shè)計是以“大單元教學(xué)”、“倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”為基礎(chǔ)設(shè)計；學(xué)生對ATP的分子結(jié)構(gòu)、ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化以及ATP的利用等概念感受抽象，認(rèn)識不清，難以快速轉(zhuǎn)化。本節(jié)設(shè)計利用探究性實驗、資料分析、自主學(xué)習(xí)等方式讓學(xué)生主動學(xué)、樂于學(xué)；構(gòu)建生命觀念的同時滲透中華傳統(tǒng)文化以及生態(tài)環(huán)境保護的意識，提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。本內(nèi)容是人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》的第五章第二節(jié)，本節(jié)內(nèi)容闡明：細(xì)胞內(nèi)絕大多數(shù)吸能反應(yīng)的直接能源物質(zhì)是ATP。能夠與降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶、細(xì)胞呼吸作用銜接，起到承上啟下的作用，為學(xué)生學(xué)習(xí)主動運輸、細(xì)胞呼吸作用和光合作用奠定基礎(chǔ)。學(xué)生通過前期學(xué)習(xí)形成概念，細(xì)胞中各種化學(xué)反應(yīng)進行時通常伴隨物質(zhì)變化，同時也存在能量的轉(zhuǎn)化。但學(xué)生對于細(xì)胞中能源物質(zhì)由何種物質(zhì)提供存在困惑，本節(jié)內(nèi)容通過諾貝爾獎獲得者出發(fā)，展示ATP的發(fā)現(xiàn)史，引導(dǎo)學(xué)生進行學(xué)習(xí)；通過對中華傳統(tǒng)文化：古詩的賞析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對螢火蟲尾部發(fā)光現(xiàn)象的解釋。通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)生進一步加深對于細(xì)胞的認(rèn)識，理解能量以物質(zhì)作為載體，細(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)化的機制。根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中學(xué)業(yè)要求“解釋ATP是驅(qū)動細(xì)胞生物生命活動的直接能源物質(zhì)”和學(xué)情分析，制定以下教學(xué)目標(biāo)：生命觀念：認(rèn)同ATP是一種高能磷酸化合物，儲存著活躍的化學(xué)能，進而建立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點；認(rèn)同雖然不同細(xì)胞內(nèi)ATP含量均極少，但ATP和ADP間迅速的相互轉(zhuǎn)化可以保持細(xì)胞中ATP含量的相對穩(wěn)定，建立穩(wěn)態(tài)與平衡觀；認(rèn)同ATP和ADP兩種物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化過程伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，形成“物質(zhì)是能量的載體，能量是驅(qū)動物質(zhì)轉(zhuǎn)化的動力”的物質(zhì)和能量觀；認(rèn)識到ATP是植物、動物、微生物共有的能量“貨幣”，構(gòu)建不同生物擁有共同起源的進化與適應(yīng)觀?？茖W(xué)思維：構(gòu)建ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的模型，知曉兩者轉(zhuǎn)化迅速，快速進行生理生化反應(yīng)需要酶的參與。了解ATP和ADP相互迅速轉(zhuǎn)化的過程中，物質(zhì)是可以循環(huán)的，但能量和酶不同，能量不可循環(huán)利用，理解ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化不是可逆反應(yīng)?？茖W(xué)探究：通過小組合作、相互討論嘗試設(shè)計實驗證明ATP而并非葡萄糖或脂肪是直接能源物質(zhì)。社會責(zé)任：通過中華傳統(tǒng)文化古詩詞的欣賞，滲透熱愛自然、熱愛生命的價值觀，通過對螢火蟲發(fā)光的機理的學(xué)習(xí)，提高“綠水青山就是金山銀山”的意識。教學(xué)重點：ATP的結(jié)構(gòu)特以及其在能量代謝中的作用。教學(xué)難點：ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的特點，說明ATP是細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)。教法：教師在教學(xué)過程依據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論，融合討論法、比較法、歸納法等多種教學(xué)方法，幫助學(xué)生從認(rèn)識細(xì)胞能量“貨幣”ATP，理解細(xì)胞內(nèi)ATP與ADP的轉(zhuǎn)化機制，結(jié)合前后內(nèi)容為后期學(xué)習(xí)各種生命活動的奠定基礎(chǔ)。學(xué)法：通過小組設(shè)計、實驗、觀察、分析、討論，以學(xué)生為主體，形成“自主、合作、探究”的學(xué)習(xí)模式?！厩榫硨?dǎo)入】1997年諾貝爾化學(xué)獎一半授予美國生物化學(xué)家保羅?波耶爾和英國化學(xué)家沃克，用來表彰他們在研究產(chǎn)生儲能分子ATP的酶催化過程中的開創(chuàng)性貢獻；另一半授予丹麥生物化學(xué)家詹斯?斯，因為他發(fā)現(xiàn)了一種被稱為鈉鉀激活的腺苷三磷酸——鈉鉀ATP酶。ATP是所有生物細(xì)胞新陳代謝過程的“燃料”。ATP究竟有何魅力吸引著各國、多界科學(xué)家對其研究？今天就讓我們深入了解ATP。學(xué)生欣賞“問題探討”中華傳統(tǒng)文化詩《秋夕》，教師引導(dǎo)學(xué)生通過閱讀教材進行思考：①螢火蟲發(fā)光的生物學(xué)意義是什么？②螢火蟲體內(nèi)有特殊的發(fā)光物質(zhì)嗎？③在螢火蟲發(fā)光的過程中存在能量的轉(zhuǎn)化嗎？同學(xué)們都認(rèn)同螢火蟲發(fā)光過程存在能量的轉(zhuǎn)化，那么螢火蟲發(fā)光的直接供能物質(zhì)是什么？教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧前期學(xué)習(xí)的細(xì)胞內(nèi)能源物質(zhì)有哪些？學(xué)生思考討論后回答：糖類是細(xì)胞內(nèi)的主要能源物質(zhì)；脂肪是細(xì)胞內(nèi)的重要儲能物質(zhì)；糖原是動物細(xì)胞特有的儲能物質(zhì)；淀粉是植物細(xì)胞特有的儲能物質(zhì)。請同學(xué)們根據(jù)資料中給出的信息，設(shè)計實驗，驗證螢火蟲的發(fā)光的直接能源物質(zhì)是什么？【資料一】：螢火蟲的發(fā)光是生物發(fā)光的一種。螢火蟲的發(fā)光原理是：螢火蟲有專門的發(fā)光細(xì)胞，在發(fā)光細(xì)胞中有兩類化學(xué)物質(zhì)，一類被稱作熒光素（在螢火蟲中的稱為螢火蟲熒光素），另一類被稱為熒光素酶。熒光素能在熒光素酶的催化下消耗ATP，并與氧氣發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)中產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的氧化熒光素，當(dāng)氧化熒光素從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時釋放出光子。反應(yīng)中釋放的能量幾乎全部以光的形式釋放，只有極少部分以熱的形式釋放，反應(yīng)效率為95%。【任務(wù)一】設(shè)計實驗驗證ATP為細(xì)胞的直接能源物質(zhì)教師提問：糖類（如葡萄糖）及脂肪能夠為細(xì)胞提供能量嗎？如何驗證假設(shè)？實驗是否需要設(shè)計單一變量？①提出問題：探究螢火蟲發(fā)光的直接供能物質(zhì)是什么？②作出假設(shè)：螢火蟲發(fā)光的直接供能物質(zhì)是ATP③實驗步驟設(shè)計和實施：小組討論，設(shè)計實驗步驟，對結(jié)果進行預(yù)設(shè)，進行實驗。④觀察實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論：ATP是細(xì)胞的直接能源物質(zhì)。進行實驗，分析結(jié)果，得出結(jié)論。ATP為螢火蟲發(fā)光直接提供能量?？偨Y(jié)科學(xué)探究的一般步驟：提出問題→作出假設(shè)→設(shè)計方案→進行實驗→分析結(jié)果，得出結(jié)論。教師總結(jié)并說明這些物質(zhì)都不能為螢火蟲發(fā)光直接供能，細(xì)胞的直接能源物質(zhì)是ATP。教師說明螢火蟲對生存環(huán)境要求較高，提出保護生態(tài)環(huán)境的必要性。【任務(wù)二】ATP的結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建教師提前布置任務(wù)，學(xué)生通過閱讀教材中ATP結(jié)構(gòu)式，使用多種材料構(gòu)建ATP的物理模型，教師展示ATP結(jié)構(gòu)式模型，并通過問題串引導(dǎo)學(xué)生思考：①ATP的組成元素是什么？中文名稱是什么？結(jié)構(gòu)簡式如何書寫？結(jié)構(gòu)簡式中各符號是什么意思？②ATP中特殊的化學(xué)鍵具有較高的轉(zhuǎn)移勢能為螢火蟲發(fā)光提供能量，它是如何為螢火蟲提供能量的？為什么說ATP是細(xì)胞內(nèi)的一種高能磷酸化合物？③ATP的A具體指什么結(jié)構(gòu)，包含哪幾部分，跟我們以前學(xué)過的A有什么區(qū)別？學(xué)生觀察ATP的結(jié)構(gòu)式，并進行小組討論，得出結(jié)論：①ATP的組成元素：C、H、O、N、P；腺苷三磷酸；A代表腺苷、P代表磷酸基團、“－”代表普通的化學(xué)鍵、“～”代表特殊的化學(xué)鍵。②一分子的腺嘌呤和一分子的核糖構(gòu)成了一分子的腺苷；以前學(xué)的A是代表腺嘌呤。③由于磷酸基團帶負(fù)電荷而相互排斥等原因，使構(gòu)成的特殊的化學(xué)鍵不穩(wěn)定，磷酸基團之間的化學(xué)鍵用“～”符號表示，儲存有較高的能量，所以是高能磷酸化合物。教師講解修正模型并展示ATP高能磷酸鍵斷裂情況，鞏固結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點?！救蝿?wù)三】ATP與ADP轉(zhuǎn)化的意義的探究資料1：人體每天所消耗的能量需要水解100～150mol的ATP（相當(dāng)于50～75kg）；在劇烈運動的情況下，ATP的消耗約達0.5kg/min。而人體中ATP的總量只有大約2mg，劇烈運動時只能維持3s。如何解決這一矛盾呢？資料2：在某細(xì)胞培養(yǎng)液中加入32P（31P的同位素）標(biāo)記的磷酸分子，短時間內(nèi)分離出細(xì)胞中的ATP，發(fā)現(xiàn)其含量變化不大，但部分ATP的末端磷酸基團已帶上放射性標(biāo)記。資料3：ATP水解生成的ADP又可在一定條件下轉(zhuǎn)化成ATP。ATP與ADP互相轉(zhuǎn)化的能量供應(yīng)機制，在所有生物的細(xì)胞內(nèi)都是一樣的。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：資料二中ATP的末端磷酸基團為何會出現(xiàn)放射性？教師請學(xué)生根據(jù)自制ATP結(jié)構(gòu)模型講解ATP的水解和合成的過程。教師先肯定，再指導(dǎo)學(xué)生閱讀資料后思考問題。得出ATP在細(xì)胞內(nèi)含量很少但機體需求量很大的結(jié)論，這種能量供需矛盾解決的關(guān)鍵是ATP和ADP間進行迅速的相互轉(zhuǎn)化，構(gòu)建細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)和平衡觀。教師最后總結(jié)：ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的能量供應(yīng)機制在所有生物的細(xì)胞內(nèi)都是一樣的，這體現(xiàn)了生物界的統(tǒng)一性。細(xì)胞單位時間內(nèi)需要的能量多少是由ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化速度的快慢決定，ATP的含量處于動態(tài)平衡之中。這對于構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定的供能環(huán)境具有十分重要的意義?！救蝿?wù)四】ATP與ADP之間的轉(zhuǎn)化并非可逆反應(yīng)。【教師講解】ATP在ATP水解酶的作用下水解，鍵能釋放，轉(zhuǎn)化為較ATP穩(wěn)定的化合物——ADP，脫離下來的磷酸基團或其他分子結(jié)合使后者發(fā)生變化，或成為游離的磷酸，通過該過程，ATP為其他化學(xué)反應(yīng)提供能量。由于ATP結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定性，決定了ATP可以作為細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)。提問：ATP水解的產(chǎn)物包括哪些？能否寫出ATP水解的反應(yīng)式？通過閱讀與分析，學(xué)生得出ATP的水解產(chǎn)物包括ADP和游離的磷酸基團（用Pi表示），同時釋放出能量。同時認(rèn)識到ATP的化學(xué)性質(zhì)較糖類、脂質(zhì)等物質(zhì)活躍，因而ATP可以為細(xì)胞內(nèi)的絕大多數(shù)生命活動直接供能。閱讀教材第87頁和88頁，小組討論，找出答案。①合成ATP需要什么原料呢？能否寫出ATP合成的反應(yīng)式？②ATP合成所需要的能量從何而來？ATP水解所釋放的能量又有什么用途？③根據(jù)ATP和ADP之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系，構(gòu)建ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的模型？④ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化是不是可逆反應(yīng)？學(xué)生閱讀教材，嘗試構(gòu)建ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的模型，教師對學(xué)生構(gòu)建的模型給予評價。學(xué)生回答：不屬于可逆反應(yīng)。【任務(wù)五】ATP的利用及實踐，體會生命活動的重要ATP除了為螢火蟲的