“ATP的主要來源

晏何英

摘 要 在“ATP的主要來源——細胞呼吸”一課中，為了充分挖掘教學(xué)素材，融入6幅改編圖片豐富學(xué)生“自學(xué)”資源；結(jié)合問題設(shè)計遞進引導(dǎo)，通過“互學(xué)、領(lǐng)學(xué)”構(gòu)建問題式課堂，強化了細胞呼吸核心概念，突破了呼吸過程的學(xué)習(xí)難點；最后得出“ATP的主要來源是細胞呼吸”的結(jié)論。這樣設(shè)計教學(xué)，增強了課堂的任務(wù)性，提高了課堂的師生互動性。

關(guān)鍵詞 教學(xué)設(shè)計 反思 細胞呼吸 ATP的主要來源

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 教材分析

“ATP的主要來源——細胞呼吸”是人教版普通高中生物課程必修1第五章第三節(jié)的內(nèi)容。細胞呼吸是細胞新陳代謝的基本內(nèi)容之一，它涵蓋了胞內(nèi)物質(zhì)、能量代謝，緊密聯(lián)系了“酶”和“ATP”，指明了“光合作用”形成糖類的部分去向。本節(jié)闡述了細胞呼吸、有氧呼吸、無氧呼吸、細胞呼吸原理及應(yīng)用4個板塊的內(nèi)容，呈現(xiàn)了“有氧呼吸過程圖解”，補充實驗“探究酵母菌細胞呼吸的方式”，涉及較多概念性知識和過程性知識，要求學(xué)生能理解有氧呼吸、無氧呼吸的過程，能將細胞呼吸原理在生產(chǎn)和生活中進行應(yīng)用。

2 設(shè)計思路

“ATP的主要來源——細胞呼吸”是對ATP主要來源的總體評價，這需要學(xué)生仔細思辨、反復(fù)理解才能認同。思辨可借助若干問題作為載體，問題可從充分挖掘教學(xué)素材而生。對此，筆者基于問題進行本課的教學(xué)設(shè)計，突出“問題”層次性：學(xué)生“自學(xué)”時，能夠“發(fā)現(xiàn)問題”；“互學(xué)”時，希翼“解決問題”；“領(lǐng)學(xué)”時，圍繞“新生問題，提升認知”。如此，學(xué)習(xí)過程“以問題為核心不斷答疑、生疑、再答疑”，順道“解決問題”，最終形成細胞呼吸的具體過程、核心概念，得到“ATP的主要來源是細胞呼吸”的結(jié)論。

3 教學(xué)目標

（1） 知識目標：簡述有氧呼吸和無氧呼吸過程；說出酵母菌細胞呼吸方式；說出細胞呼吸原理在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。

（2） 能力目標：能從反應(yīng)條件、物質(zhì)變化、能量變化、物質(zhì)量變化4個角度認識化學(xué)反應(yīng)；嘗試尋找關(guān)鍵詞；學(xué)會提取信息、梳理信息、培養(yǎng)簡化文本、化文為圖。

（3） 情感、態(tài)度與價值觀目標：感悟生活的美好；認同思考和發(fā)現(xiàn)的重要性；明白知識從生活中來又服務(wù)于生活的道理。

4 教學(xué)重點與難點

（1） 說明有氧呼吸和無氧呼吸的過程。

（2） 能理解ATP的主要來源是細胞呼吸。

5 教學(xué)過程

5.1 視頻導(dǎo)入

教師播放“發(fā)酵歷史”視頻，引導(dǎo)學(xué)生初步了解以下內(nèi)容：公元前6000年，古巴比倫人掌握“發(fā)酵釀造啤酒”技術(shù)；公元前4000年，埃及人學(xué)會了用“發(fā)酵法”制造面包；殷商時期，中國人掌握了“釀酒”技術(shù)；秦漢時期，學(xué)會了制醬；周朝時期，學(xué)會了制醋。

播放完視頻后，教師提問：（1） 視頻中反復(fù)出現(xiàn)了一個關(guān)鍵詞，請找出來。（2） 怎么理解發(fā)酵？（3） 在生活中，發(fā)酵處處可見，如市場上售賣安琪酵母（課件出示圖片），用來發(fā)面。發(fā)面后，面團松軟，為什么？面團偶有酸味，為什么？發(fā)酵與細胞呼吸之間有怎么樣的關(guān)系？

學(xué)生學(xué)情：能指出視頻中的關(guān)鍵詞是“發(fā)酵”，知道面團松軟是因為產(chǎn)生了氣體。但不知道產(chǎn)生的氣體是什么及發(fā)酵是怎么一回事。

教師補充“發(fā)酵”在生活上的其他應(yīng)用，及點明“發(fā)酵”與呼吸作用的聯(lián)系：發(fā)酵是微生物的呼吸作用。

教師繼續(xù)追加問題，引發(fā)學(xué)生的“頭腦風(fēng)暴”：取一部分發(fā)酵液，用乙醇和丙酮處理其中的酵母細胞，將它們殺死，發(fā)現(xiàn)處理后的發(fā)酵液仍然保持發(fā)酵能力，為什么？

學(xué)生紛紛進行思考，此時教師不急于解釋，為后文發(fā)酵相關(guān)知識的拓展做好情境鋪墊。

5.2 引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，理解“細胞呼吸”核心概念

待學(xué)生的“頭腦風(fēng)暴”過后，教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材“細胞呼吸”相關(guān)板塊尋找答案，之后拋出兩組問題（多媒體投影），引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。

第1組問題：（1） 找出細胞呼吸概念關(guān)鍵詞，它們各自在一個化學(xué)反應(yīng)式中對應(yīng)意義是什么？怎么理解氧化分解？（2） 怎么理解有機物？有機物是指前面學(xué)過的四類（核酸、蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)）嗎？（3） 細胞呼吸有哪些類型？（此組問題主要用于解讀“細胞呼吸”概念）

第2組問題：（1） 生活中常使用“呼吸”一詞。這里的“呼吸”指的是什么？（2） 你能否結(jié)合初中生物教材中的“呼吸全過程”（圖1），標出你認為的“呼吸”對應(yīng)范圍。（3） 呼吸作用僅發(fā)生在肺里嗎？（4） O2進入肺后最終去哪了？CO2從哪兒來？（此組問題主要用于尋找“呼吸”與“呼吸作用”的關(guān)系）

學(xué)生討論并交換意見后，知道“有機物”是反應(yīng)物（底物）是提供能量的物質(zhì)，如糖類、脂肪；“細胞內(nèi)”是場所；“酶”是反應(yīng)條件；“CO2或其他產(chǎn)物”是生成物（產(chǎn)物）；“ATP”是能量；細胞呼吸有兩種方式：有氧呼吸和無氧呼吸。但對于“有機物能否判斷為蛋白質(zhì)、核酸”疑惑不解、各執(zhí)一詞，且以為“呼吸”就是呼氣和吸氣。

上述學(xué)情表明學(xué)生已完成“自學(xué)”和“互學(xué)”，暴露“細胞呼吸概念”思維盲區(qū)：不理解“氧化分解”的含義，不明白“ATP”是作為物質(zhì)還是能量，無法區(qū)分物質(zhì)變化和能量變化，不清楚細胞呼吸、呼吸作用與呼吸有何異同，不理解“呼吸”的含義，誤以為呼吸作用僅僅發(fā)生在肺里。

這些學(xué)情正是教師教學(xué)的入手點及學(xué)生“領(lǐng)學(xué)”提升的好素材。

教師補充：“氧化分解”是一種化學(xué)方應(yīng)類型，包含氧化還原反應(yīng)和分解反應(yīng)兩種；ATP不是能量，是產(chǎn)物，雖含2個高能磷酸鍵，但它是大部分細胞主要能源物質(zhì)，故ATP視為產(chǎn)物。能量變化為釋放能量。除了糖類、脂肪可釋放能量外，還有蛋白質(zhì)，作為生命活動特殊能源。核酸不能提供能量，一般用作遺傳物質(zhì)。學(xué)生口中“呼吸”即肺通氣，不完整。以人為例，所謂“呼吸”指人體從周圍環(huán)境吸入O2，同時呼出CO2的過程。它包括3個層次：肺通氣（外呼吸）；氣體在血液中的運輸（體內(nèi)運輸）；呼吸作用（內(nèi)呼吸）。細胞呼吸與呼吸作用實質(zhì)相同，都是細胞內(nèi)的有機物發(fā)生氧化分解，釋放能量形成ATP的過程。

5.3 學(xué)生互學(xué)，教師領(lǐng)學(xué)，突破“有氧呼吸”學(xué)習(xí)難點

葡萄糖是細胞內(nèi)的主要能源，也是有氧呼吸和無氧呼吸最常利用的物質(zhì)。教師先展示“葡萄糖的有氧呼吸過程”（圖2），然后再將其轉(zhuǎn)化到一個具體的細胞內(nèi)（圖3），最后以1 mol葡萄糖的有氧呼吸為例，引導(dǎo)學(xué)生思考以下兩組問題。

第一組問題：

（1） 請說出細胞膜、細胞核、細胞質(zhì)、線粒體的位置。線粒體外膜、內(nèi)膜、嵴、線粒體基質(zhì)分別在哪？

（2） 有氧呼吸共3個階段，在圖3中用①②③表示，說出各個階段的發(fā)生場所。討論每個階段的物質(zhì)變化及數(shù)量變化，并寫在括號內(nèi)。

（3） 有氧呼吸離不開O2，但真正需要O2的是在第幾階段？若把O2中O用18O標記，18O最先出現(xiàn)在哪個物質(zhì)？（突破學(xué)生“物質(zhì)變化”學(xué)習(xí)難點）

第二組問題：

（4） 1 mol葡萄糖經(jīng)有氧呼吸釋放能量為2 870kJ，其中只有1 161kJ左右的能量儲存在ATP，其余的能量去哪了？由此說明釋放的能量有哪些去向？

（5） 細胞生命活動所需的能量，大約有95%來自線粒體，因此有氧呼吸的主要場所是哪里？

（6） 寫出有氧呼吸的總反應(yīng)式。與化學(xué)反應(yīng)式對比，總結(jié)生物反應(yīng)式寫法如何？

（7） 說出有氧呼吸的關(guān)鍵詞，使用這些關(guān)鍵詞，給有氧呼吸下定義（解決學(xué)生“能量變化”的學(xué)習(xí)困難）。

學(xué)生在完成兩組“互學(xué)”問題的過程中產(chǎn)生新困惑：[H]是什么？有何作用？它和以前接觸的H、H+、H2有何區(qū)別？雖然教材中“有氧呼吸過程圖解”的物質(zhì)改變一目了然，但學(xué)生不明白如何計算物質(zhì)摩爾數(shù)，對于有氧呼吸總反應(yīng)式出現(xiàn)“+能量”的理解出現(xiàn)爭論，不清楚是“ATP”或是“熱能”還是“ATP+熱能”。學(xué)生的這些新困惑是問題式課堂真正的動力。

教師隨即分析學(xué)情，找準“下手點”：“有氧呼吸過程圖解”從四個角度梳理：物質(zhì)變化、能量變化、反應(yīng)條件以及反應(yīng)類型，見表1。不難發(fā)現(xiàn)物質(zhì)數(shù)量變化、反應(yīng)類型在表中依然沒有解決。究其原因，就是[H]作用和它作為“中間產(chǎn)物”的地位問題沒有厘清，出現(xiàn)了“知識斷點”。對此，教師教學(xué)的“下手點”即解決[H]和“中間產(chǎn)物”的疑問。

教師“領(lǐng)學(xué)”提升：[H]不是H和H+，而是一種化合物NADH，具有還原性，作為還原劑。O2作為氧化劑，這為“反應(yīng)類型是氧化還原反應(yīng)”做了提示。第一階段和第二階段生成[H]，都是氧化還原反應(yīng)。從C6H12O6最終變成了CO2來看，屬于分解反應(yīng)。綜上所述，有氧呼吸反應(yīng)類型為氧化分解，與前文細胞呼吸反應(yīng)類型一致。

教師接著介紹“中間產(chǎn)物”，為“書寫總反應(yīng)式”和“能量逐步釋放”搭橋鋪路。有氧呼吸是一系列連續(xù)反應(yīng)，不是一個化學(xué)反應(yīng)。以丙酮酸為例，丙酮酸既是有氧呼吸第一階段產(chǎn)物，也是第二階段底物，像丙酮酸這樣，還有[H]，都屬于中間產(chǎn)物。每一階段由專門的酶（可用酶1、酶2、酶3表示）催化，且前一階段反應(yīng)產(chǎn)物是后一階段反應(yīng)底物，因此葡萄糖逐步分解，能量逐步釋放。釋放的能量一部分以熱能形式散失，其余的在有關(guān)酶催化下被ADP接受，與磷酸結(jié)合，生成ATP。

5.4 檢測基礎(chǔ)，“領(lǐng)學(xué)”拔高，突破“無氧呼吸”學(xué)習(xí)難點

第一組問題（檢測基礎(chǔ)）：

（1） 在有O2的情況下，細胞有氧呼吸釋放能量，形成ATP。在沒有O2或O2不足的條件下，細胞怎樣解決ATP供應(yīng)？

（2） 據(jù)圖4，無氧呼吸包括2個階段，在圖4中用①②表示，討論每個階段發(fā)生場所、物質(zhì)變化、能量變化，在圖5括號內(nèi)寫出。

（3） 寫出無氧呼吸總反應(yīng)式。

（4） 同是無氧呼吸第二階段，為何丙酮酸被還原的產(chǎn)物不同？能否舉例說明哪種生物進行酒精發(fā)酵，哪種生物進行乳酸發(fā)酵？有沒有一種生物既進行酒精發(fā)酵又進行乳酸發(fā)酵，試舉例說明。

（5） 仿照有氧呼吸，給無氧呼吸下定義：無氧呼吸一般指在 的條件下，通過 的催化，把葡萄糖等有機物分解成為

，同時釋放 的過程。

學(xué)生“互學(xué)”后，會生疑：據(jù)有氧呼吸[H]作用，提示兩種無氧呼吸反應(yīng)類型均為氧化分解，卻無法說出丙酮酸被分解為不同產(chǎn)物的原因，亦不能說出氧化分解的異同。

諸如此類就是知識縫隙，教師找出后，應(yīng)見縫插針，從“能量釋放多少和去路”入手，設(shè)計第2組問題。

第二組問題（“領(lǐng)學(xué)”拔高）：

（1） 以乳酸發(fā)酵為例，每消耗1 mol葡萄糖釋放能量為196.65 kJ，其中只有61.08 kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量去哪了？以酒精發(fā)酵為例，每消耗1 mol葡萄糖釋放的能量為225.9 kJ，其中只有61.08 kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量去哪了？無氧呼吸第二階段釋放能量了嗎？

（2） 與有氧呼吸釋放能量2870 kJ相比，二者釋放能量相差如此之大，這對于理解氧化分解有何意義？差值部分能量儲存在哪？

（3） 說出哪些過程能形成ATP？在ADP轉(zhuǎn)化成ATP過程中，所需能量從哪里來呢？

教師補充表2：由于酶種類不同（用酶a、酶b、酶c表示），丙酮酸被還原的產(chǎn)物不同，生成酒精和CO2或生成乳酸，不會有生物二者兼而有之。酒精發(fā)酵適用于大多數(shù)植物、酵母菌；乳酸發(fā)酵適用于大部分動物和乳酸菌。與有氧呼吸相比，無氧呼吸釋放能量較少，說明有氧呼吸氧化分解徹底，無氧呼吸氧化分解不徹底，大部分能量儲存在有機物中。

歸納小結(jié)：

（1） 細胞呼吸主要方式：有氧呼吸。

（2） 判斷氧化分解徹底與否的依據(jù)：觀察產(chǎn)物是否均為無機物。

（3） 形成ATP的過程（圖6）主要有3條：① 有氧呼吸；② 無氧呼吸；③ 光合作用。

相應(yīng)的，在ADP轉(zhuǎn)化成ATP過程中，所需的能量來自有機物中的化學(xué)能或光能。對于動物、人、真菌和大多數(shù)細菌來說，均來自細胞呼吸作用有機物分解所釋放的能量；對于綠色植物來說，除了依賴呼吸作用所釋放的能量外，葉綠體進行光合作用將ADP轉(zhuǎn)化為ATP。因此ATP的主要來源是細胞呼吸。

5.5 提問結(jié)課

酵母菌是引課素材，教師繼續(xù)尋找挑戰(zhàn)點進行結(jié)課，做到首位呼應(yīng)。

教師結(jié)課提問：

（1）酵母菌在有氧和無氧條件下都能生存，酵母菌細胞呼吸方式是什么？

（2） 回到課前“頭腦風(fēng)暴”：取一部分發(fā)酵液，用乙醇和丙酮處理其中的酵母細胞，將它們殺死，發(fā)現(xiàn)處理后的發(fā)酵液仍然保持發(fā)酵能力，為什么？

（3） 某小組在注射器中加入3mL含酵母菌培養(yǎng)液，吸入9 mL空氣后加塞密封，一段時間后，發(fā)現(xiàn)針管內(nèi)的氣體體積增加。為什么？

6 教學(xué)反思

本節(jié)課涉及較多的概念性知識和過程性知識，夾雜推理分析，課堂處理很有難度。教師應(yīng)在不照搬教材情況下進行重構(gòu)：切塊、分層同時推進。切為3塊，分別是細胞呼吸、有氧呼吸、無氧呼吸，每1塊以組織若干問題分層推進。

“視頻導(dǎo)入”引課，帶出關(guān)鍵詞“發(fā)酵”，為細胞呼吸概念尋找關(guān)鍵詞做好思維內(nèi)動，亦為“結(jié)課”做好首尾呼應(yīng)，做到了用一個觀察點抓住一節(jié)課。

自制6張圖是3塊相應(yīng)線索，也是教學(xué)特色。學(xué)生初步閱讀教材建立認知后，借助圖形二次建構(gòu)，為快速“理解文本”搭建支架。特別是有位學(xué)生分析有氧呼吸總反應(yīng)式時，提到：“釋放的能量怎么理解？是ATP還是熱能還是ATP和熱能二者總和？”這些問題讓教師始料不及，而這就是問題帶來的生產(chǎn)力。學(xué)生在問題式課堂中互疑互解、互幫互學(xué)，逐漸形成嚴謹思維，不僅在學(xué)而且在用，是學(xué)以致用的典型結(jié)合。

有氧呼吸過程是重點，亦是難點。以問題遞進式推進，使組織課堂、觀察課堂的視角由“個體認知”上升為“集體對話”，把課堂變成學(xué)生交互的舞臺，增進了生生互動、師生互動，塑造了鮮活的課堂。特別是在處理圖3和圖5過程中，學(xué)生多次板演，出現(xiàn)多次“學(xué)習(xí)斷點”“知識縫隙”，為教師找出學(xué)習(xí)困難“及時搭橋”，也為學(xué)生在解決問題過程中生成新問題“鋪路”，這樣“問題中再生問題”的方式使問題生成及時、鮮活、有力，從而突破有氧呼吸，最終使學(xué)生認同“ATP的主要來源是細胞呼吸”。實踐證明，問題式課堂教學(xué)效果良好，深受學(xué)生歡迎。