利用自制教具培养学生的学科素养

成都冠城实验学校  杨馨然

多样化教学方式的结合使用，除了可以使得课堂变得丰富有趣，更能让学生多角度深化理解所学知识。其中，利用教具教学可以让教师可视化展示物质的结构、变化过程等，便于学生理解。同时，学生在摆弄教具的过程中，可以在触觉、视觉上加深印象，教师也能通过学生的模型拼凑活动检测学生对知识的掌握情况。

基于以上理论背景，本文以“细胞的能量‘货币’ATP”一节为例，展示利用自制的教具进行的教学设计过程。

一、新旧教材的对比分析

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020修订版）》中对本节的要求是“解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”。根据结构与功能观的观点“物质的功能是由其结构决定的”，ATP的分子结构决定了它是直接的能源物质。关于这一点的进一步解释，旧教材指出ATP分子中两个相邻的磷酸基团之间有高能磷酸键，该键储存大量能量，断键可释放，但这与化学教材中化学键断裂消耗能量的说法相矛盾。所以修订后的新教材不光删除了“高能磷酸键”这一词，只是说这是一种“特殊的化学键”，还对ATP水解为何能释放大量能量做了更深入的解释，即：ATP的磷酸基团间因带负电荷而相互排斥，尤其是末端的磷酸基团具有较高的转移势能而更易脱离即断键。更改后的这一说法也与物理中的同性相斥、化学上的基团势能等知识相符，提高了学科间的一致性。

关于ATP和ADP的相互转化，新旧教材都利用了插图直观示意，但新教材在旧版插图的基础上将ATP和ADP这两个物质用模型图取代原有的字母，并且删掉了“酶”的字眼，改为“合成”和“水解”，有意避免学生误认为ATP和ADP的转化是可逆过程。

二、学情分析

对ATP结构的认识是本节学习的难点之一，学生会出现的误区包括但不限于：此前学习的“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组成；ATP中的五碳糖是核糖而非脱氧核糖；磷酸基团是跟核糖的五号位碳原子相连，而五号位碳原子在环外，所以结构上会呈现“拐弯”；磷酸基团之间是通过特殊化学键相连。这些问题直接去说、靠学生想象太过苍白；如果直接问学生，他们一时或能回答正确，但是等做题遇到考查ATP结构时，往往正确率不高。

此时使用教具好处就体现出来了：一来激发学生的兴趣；二来结合教具进行小组探究活动，学生可以真实地触碰它，在感官刺激中加深印象，从而促进学生的认知发展，包括观察力、思维能力等方面的提升。教师也可以通过这种活动，检测学生的学习情况。

三、学习目标

（一）构建ATP的分子结构模型，认同其结构与功能相适应的观念，能根据简式说出ATP的化学组成和特点（生命观念）。

（二）通过构建ATP水解和合成过程反应式的活动，理解ATP和ADP可以相互转化，其转化过程释放的能量可用于细胞生命活动（科学思维）。

四、教学重难点

ATP的化学组成、结构特点及其在能量代谢中的作用。通过ATP与ADP相互转化的特点，解释ATP是驱动生命活动的直接能源物质。

五、自制教具

为了便于在黑板上展示和方便学生运用，同时考虑到操作便捷和性价比的问题，选择了浅色的磁吸纸，它不光可以磁吸在黑板上，还可以用笔在上面写字涂画。

为了能完整展示一个ATP分子的结构模型，及ATP和ADP转化过程的反应式，且用于小组合作，每一套磁吸卡片中包括以下样式：2个长方形表示腺嘌呤、2个五边形表示核糖、6个圆形表示磷酸基团、6个一字小方条表示普通的化学键、4个波浪形符号表示特殊的化学键、1个爆炸型图案表示能量、2个加号、1个写有“酶”字的箭头。此外，教师也需要在黑板上展示，所以可以再准备一套放大版的。

六、教学过程

（一）新课引入

通过两则资料的展示提出问题，进而引出本节对ATP的学习。

展示最近学生在运动会上奋力奔跑的场景，提出学生在每一次摆臂、两条腿交替跑的过程中，都涉及肌肉的收缩运动，那直接给肌肉收缩提供能量的物质是什么呢？

资料1:1929年，费斯克和罗曼分别在肌肉中发现了一种焦磷酸盐和腺苷酸相联系的化合物。1934年，罗曼进一步确定这种物质为腺苷三磷酸（ATP）。同年，恩格尔哈特注意到肌肉收缩需要ATP。然而此前的认知中已知细胞中的主要能源物质是葡萄糖。

提问：直接给肌肉收缩提供能量的物质是什么？

资料2：播放视频：葡萄糖溶液和ATP溶液对牛蛙腓肠肌收缩的影响。

提问：从实验结果中可以得出什么结论？

从这两则资料，学生对ATP这个东西有了初步认识，知道它才是真正直接给肌肉收缩供能的物质，那是否还有其他生命活动也是通过ATP直接供能？供能机制如何呢？这就是接下来要解决的问题。

（二）课前自学，展现成果

在正式上课前一天，要求学生预习本节内容，并完成导学案上知识填空部分。上课时，一起回顾和深入认识ATP的结构，强调其中的五碳糖是核糖而非脱氧核糖，这里还可以进一步回顾对核糖和脱氧核糖的区分。其次认识到ATP中磷酸基团数量的递减分别构成了ADP和AMP，还可以发现AMP就是腺嘌呤核糖核苷酸，这又与前面核酸的知识相呼应，接着，还能引导学生推测ATP的其他功能，如可以水解后用于构建RNA。

小组合作：在小黑板上拼出一个ATP分子的结构式。五分钟后，每个小组展示自己的成果。

学生根据此前的预习和跟教师再次的深入学习，基本上都能正确拼出ATP的模型图，但仍有一些问题，比如磷酸基团由于是跟核糖的五号位碳原子相连，所以在核糖和磷酸基团的连接处应展现出“拐弯”的过程，但部分学生直接将它们相连起来。

（三）讨论领悟，展示分享

提供不同资料，探讨ATP水解和合成的问题。

资料：α、β和γ表示ATP上三个磷酸基团所处的位置（A－P_α～P_β～P_γ），现有甲、乙两组ATP溶液，甲组用³²P标记ATP的β位的磷酸基团，乙组用³²P标记ATP的γ位的磷酸基团，然后分别加入等量的ATP水解酶，短时间后迅速分离溶液中游离的磷酸基团，结果发现只有乙组中游离的磷酸基团带有放射性（注：³²P具有放射性）。

提问：从实验结果看，ATP中哪一个化学键更容易断裂？为什么？

根据资料可以发现最容易断裂的是β位与γ位磷酸基团之间的化学键。此外，提前预习过的学生也能在书上找到答案及原因。当然，教师在这部分也可辅以示意图更好理解。

小组合作：尝试在导学案上写出ATP水解的反应式，并在小黑板上拼出示意图。十分钟后，小组代表展示并讲一讲拼图过程中的要点等等。学生基本上都能拼出正确的ATP水解反应式。

教师讲解ATP水解释放的能量可用于各项生命活动，比如大家动手拼图、思考、吃饭、睡觉等，同时借由书上Ca²⁺主动运输的例子介绍ATP供能的过程。

（四）内容梳理，总结归纳

以教材插图5-4为模板，再次梳理ATP和ADP相互转化过程，理解ATP水解是放能反应，ATP合成是吸能反应，同时引导学生得出ATP合成过程中的能量来源为光合作用和呼吸作用这一结论，为后续学习这两个重要生理反应埋下伏笔。

同时据图提出问题：ATP的水解和合成是不是可逆反应？绝大多数同学都会回答“是”，因为根据他们所掌握到的来看，看起来就像是在同一条件即酶的作用下，既可以正向也可以反向进行。这里需要强调，看起来虽然一样，但是所需要的酶其实不同，能量也不同，所以并非可逆反应过程。

至此，本节的主要内容学习已基本结束，请学生来总结梳理本节所学知识，进行小结归纳。

（五）习题检测，扩展提升

在课堂最后，可以设置几道习题及时检测学生的掌握情况，便于后续的教学安排。同时可以设置一道附加题，提升眼界、扩展学生的知识面。比如这里可以根据教材第88页开头的一句话“细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是由ATP直接提供能量的”提出问题“那还有什么其他的直接供能物质吗？它们是负责些什么生命活动呢？”。

七、教学反思

在教学中，基于培养学生生物学核心素养，做到以学生发展为中心，就要始终以学生为主体，激发学生的学习欲和探究兴趣。在本节课的设计中，就是以自制的磁吸教具为主要道具，让学生动手操作，在“做中学”，进而深入理解学习内容。

此外，根据学生掌握情况可以适当提升难度，比如在准备材料时，可以多准备一些干扰项，如容易搞错的脱氧核糖和核糖、ATCGU五种碱基、特殊的化学键和普通化学键的数量等，这就需要学生更多地进行辨析，这个过程也可以进一步加深学生对ATP分子结构的认识。

（作者系成都冠城实验学校教师，该文2024年获得温江区教育科研成果二等奖）