“细胞代谢的条件”的教学组织.pdf

2 0 0 9 年 第 4 4卷 第 8期 生物学通报 2 3 “细胞代谢的条件”的教学组织 陈 月艳(北京 市第 四 中学 肖振 龙 北 京 1 0 0 0 3 4)中国 图 书 分 类 号：G6 3 3 9 1 文献 标 识码：C 细 胞 代 谢 是 活 细胞 内 发 生 的 全 部 生 物 化 学 反 应 的总和。凡是化学反应都会有物质 和能量 的变 化 酶与能量是细胞代谢 的重要条件。本文 主要 阐 述 高 中生 物 学 课 程 中 有 关 酶 和 A T P化 学 知 识 的 教 学 组 织。1 教 学 内容 与 目标 分 析 新 课标 在“细胞 的代谢”部 分有 2项 要求：一 是说明酶在代谢 中的作 用，并建议安排探 究影响 酶 活性 的因素 的活 动：二是解 释 A T P在能量代 谢 中 的作 用。这 2项 要 求 既 包 含 对 教 学 内容 的选 择 和 组 织。又 包 含 对 教 学 目标 的 确 定 和 表 述。1 1 教 学 内容 分 析酶 是 活 细 胞 产 生 的具 有 催 化 作 用 的一 类特 殊 有机 物，主要 是 蛋 白质。从 酶概 念 出 发，高 中生物学 的酶化学知识包括：酶 的发 现、酶 的 生成部位、酶作用的特性 和机制、酶 的化学本质，以 及影 响 酶 活性 的 因素。酶 化学 知 识 的结 构 图解 如下：。降低 活化 能 特 异性 结合 一一 一一一一一一一 一一一一一一一一一 图 1 酶化 学知 识 的网络 结构 图 细胞 中的许 多 反 应伴 随有 能 量 的 吸 收 和释 放 这 些 吸 能 反 应 和 放 能 反 应 属 于 细 胞 的能 量 代 能源物质 生 物 氧 化 c o 2+H2 0 能量 分子 生成 组成 途径 能量 利 用 肌肉收缩 神经传导 生物合成 主动运输 生物发光 放能反应 A T P A D P循环 吸能反应 图 2 A T P化 学知识 的 网络 结构 图 谢范畴。A T P是细胞 中的“能量通货”，这个 比喻形 象地概 括 了 A T P在能量 代谢 中的作用。因此，这 部分教学 内容应包 括：吸能反 应和放 能反应、A T P 分子 的组 成、A T P与 A D P的转 化、A T P生成 的途 径、A T P的利用方 式等。A T P化学知识 的结 构图解 如 图 2。1 2 教 学 目标分 析 高 中生物 学课 本 中的酶 化 学知识是 以酶概念 为核心 展开的，酶 的产 生部位、作用特性和化学本质，以及影响酶活性 的因素，都 可 以通过探究实验教学来完成，因此，酶化学 的具 体教学 目标如下：1)知识性 目标。探究活 细胞 中酶 的来 源、作用 生物学通报 2 0 0 9年 第 4 4 卷 第 8期 特性和化学本质，形成酶的概念；分析说 明酶作用 具有高效性、专一性和温和性，概述 酶作 用的机 制；说出酶活性的 内涵，简述影 响酶反应速率的因 素。2)技 能性 目标。完 成“过 氧 化 氢 分 解 的 比较 实 验”和“淀 粉 酶 催 化 特 性 的分 析 实 验”操 作，学 会 观 察 和 搜 集 相 关 的实 验 数 据，使 用 表格 记 载 实 验 数 据，分 析 数 据 并 得 出相 应 的 结 论；自主探 究 影 响 酶 活 性 的某 种 因素，尝 试 性 总 结 设 计 一个 探 究 实 验 的依 据。3)情感性 目标。阅读酶 的发现史 资料，体验酶 概念 的形成过程：从科学家对酶本 质的探索过程 中 认识科学发展的动力源泉，体会科学家的思维 方式、科学态度过程和科学精神；从酶与代谢的关 系 中 认 同生命活动 的复杂性和整体性。高 中 生 物 学 课 本 中有 关 A T P化 学 知 识，是 围 绕着“A T P是 细胞 的能量通 货”这个命 题展开 的，具 体 教 学 目标 如 下：1)知 识性 目标。列举 活 细胞 中的产 能 代谢 和耗 能 代 谢 活动，说 出放 能反 应 和 吸 能反 应 的区别 与 联 系：识 别 A T P分 子 的结 构 式，说 出 A T P分 子 的化 学 组成；图解 A T P与 A D P之问的转化及条件，解释 A T P是 细 胞 内放 能 反 应 和 吸能 反 应 的 纽 带；概 述 A T P生成 的途径，举例说明 A 仲 的利用方式。2)情 感 性 目标。从 细胞 与 能量 的 角度，认 同生 命 是一 个耗 能 的、开放 的 系统；认 识 A T P结 构与 功 能 的关 系、物 质 与 能 量 的关 系，树 立 唯 物 辩 证 的 自然 观。2教 学 过 程 与 活 动 组 织 2 1 酶 化 学 知 识 的 教 学 酶 化 学 知 识 的 教 学 安 排 2课 时，第 1 课 时引导学生探 讨酶概念及其作 用特性。第 2课 时组织学生 自主探究影响酶活性 的因素。教学过程 的大体环节 如下：2 1 1 借助一 幅激趣增疑的细胞代谢 图片，导入 酶 的 教 学 教 师 首 先 出示 一 幅描 绘 细 胞 内复 杂 代 谢 反应途径的图片，品赏这 幅图片使学生感叹细 胞内化学反应 的复杂和有序，同时提 出疑惑 问题：体内与体外的化学 反应有什 么不 同呢?为什么感 受不到 自身体 内的化学反应 呢?由此引出酶的教 学课 题 并 引导学 生逐步探讨细胞代谢 反应 的复 杂、有序、高效和温和性。2 1 2适 当选取酶 的发现史 素材，让学生体验酶 概 念 的形 成 过 程 所 选 取 的酶 发 现 史 素 材 及 引 导 学 生 获 得 的结 论 和 引发 的 问题 概 括 如 下：表 1 酶 的发现 史料 及应用 素材 结 论 问题 胃液 对 食 物 有 化 学 胃液 中 什 么 物 质 促 斯帕 兰扎尼 的研 究 性 消化 作用 进 消化?巴斯 德、李 比希、库 发 酵 可 在 胞 外 条 件 活 细胞 产 生 的 哪 种 恩、毕希 纳的争 论与 下进行：发 酵需 要活 物 质促 进酵母 发酵?研究 细胞产 生 的物质 哈 登 用 透 析 法 分 析 推 测 起 催 化 作 用 的 起 催 化 作 用 的 物 质 酵母 提取液 成分 物 质 可 能 是 蛋 白质 确 实是 蛋 白质 吗?美 国 人 萨 姆 纳 尔 得 证 实 脲 酶 的化 学 本 所 有 酶 的化 学 本 质 到脲 酶的结 晶 质是 蛋 白质 都 是蛋 白质 吗?切 赫 和 奥 特 斯 曼 发 酶 是 有 催 化 作 用 的 酶 不 同 于 无 机 催 化 现 具 有催 化作 用 的 有机 物，主要成 分是 剂 的 作 用 特 性 是 什 R N A 核 酶 蛋 白质 么7 学 生 对 上 述 有 关 酶 的科 学 史 料 的分 析 初 步 认 识 酶 的来 源、化 学 本 质 和 作 用，体 验 到 酶概 念 的 形 成 过 程，并 感 悟 到科 学 家 思 维 方 式 的严 谨 性 和 研究 方法的创新性，以及实事求是 的科学态度 和 一丝 不 苟 的科 学 精 神。2 1 3 引 导 学 生 完 成 探 讨 酶 概 念 及 其 作 用 特 性 的实验 利用文献 资料让学生体 验酶概念 的形成 过程，实 质 上是 启 发学 生发 现 问题 和 提 出 问题 的 一种 方 法，也 是 启 迪 学 生 解 决 问题 的一 种 手段。通 过对 酶 的 发 现史 料 的分 析，学 生 初 步认 识 酶是 生 物 催 化 剂，那 么，怎 样 验 证 酶 的 化 学 本 质 呢?酶 有 哪些 不 同 于无 机 催 化剂 作 用 的特 性 呢?这 些 问题 也 只 能 运用 实验 法 来 解 决。不 同 版 本 的 高 中生 物 学 课 本，都 安 排 了过 氧 化氢 分解 的 比较实 验和淀粉酶催化特性 的分析 实 验。这 2个 实验 的教 学进 程 和要 求 大致 如下：“过氧化氢分解 的比较实验”的教学过程 主要 有 2个环节：一是实验前教师要准备一 张实验操 作 和观察记 录表，实验时要求每组学生按照表格 的提示完成 实验 的基 本操作 过程，观察 和记 载实 验现象；二是引导学生分析获得 的实验数据。得 出 相应 的结论并填写在下面的表 2中。2 0 0 9 年 第 4 4卷 第 8期 生物学通报 表 2过 氧 化氢 分解 的比较 实验 编 号 1 2 3 4 底物(H O )l m L 1 m L 1 mL 1 mL 反 应条 件 自然分 解 F e 生土 豆屑 熟土 豆屑 实 验现 象 小 而 少 大 较 少 大 多 小 而少(气 泡 大小 和多少)酶的来源：活细胞产生的 酶的作用：加快化学反应速度(高效性)实验分析及结论 酶的本质：淀粉酶是蛋白质类物质 作用条件：常温、常压、p H近中性(温和性)淀粉酶催化特性 的分析 实验 比较复杂，从 实 验设 计 的角 度 看，有 实 验 组 和对 照 组，属 于探 究 实 验；从 化学反应的性 质看，先完成 酶促反应的代谢 性生理实验，再进行 代谢产物的检测性实验。这组 实验的教学进程和要求是：每组学生按 照实验 操作和观察记录表的提示，将 洁净 的试 管编号 检 查各种试剂和设备，做好实验准备工作；完成酶 促 反 应 的实 验 操 作 过 程，思 考 各 个 实 验 处 理 之 间 的差异 和适宜恒温处理 的意义；完成鉴定反应 的实验操作过程，观察和记载实验现象；分析实 验数据并得 出相应 的结论。表 3淀粉 酶催 化特 性 的分析 实验 实验组 对照 组 性 质 试管 1 试管 2 试管 3 试管 4 +l 淀粉 液 2 m L 酶 I 蔗糖 液 2 mL +促 1 淀粉 酶液 1 mL +反 蒸 馏水 1 mL +应 反应 条件 适 宜温度 下(如 3 7 q C、保温 1 0 rai n左右 鉴 菲林 试剂 1滴+定 反应 条件 1 0 0oC恒 温水 浴或煮 沸 反 应 溶液 颜色 砖红 色 蓝 色 蓝 色 蓝色 反 应产 物：还原 性糖(主 要是 麦芽 糖)实验分析及结论 催化底物：只能将淀粉水解为麦芽糖 反应条件：常温、常压、近中性 上述实验教学 的重点 在于实验方案设计 和实 验结 果 分 析。设 计 实 验 方 案 要 依 据 多 个 方 面。结 合 淀 粉 酶 催化性 的分析实验提 出一些思考性 问题 实验组 2个处理有什么差 异?对 照组 在实验分 析 中有什 么作用?为什么先进行酶促反应后进行鉴定 反应?通过对相关问题 的讨论。学生认识 到实验设计应 遵循单 因子变量、有对照、科 学性等基本原则。实验结果 的分析应从 实验 目标 出发，以实验 方案结构 和实验数据 为对 象，选用适 当的方法和 得 出恰 当的结论。实验中观察到 的生命 现象或测 得 的实验数值 统称实验数据。该实验 目标 是探讨 淀粉酶对不 同底 物的催 化性 实验分析应 主要从 实 验 数 据 的差 异 人 手，让 学 生 在 寻 找 产 生 这 些 差 异(表 4)的过程 中得 出解决 问题 的答 案。表 4淀 粉酶 催化 特性 的 实验分 析 处理 思考 问题 分 析 问题切 人点 分 析结 论 实 验组 2个 处理 的溶 不 同 底物 是 自变 量 1 与 2 底 物性 质不 同 液 色泽 为什 么 不同?溶 液 色泽 是相关 变 量 说 出处 理 l与处 理 3 淀 粉酶 具有 水解 淀粉 1 与 3 有无 淀 粉酶 催化 溶 液色 泽不 同 的原 因 的作用 说 出处理 2与 处理 4 2 与 4 淀粉 酶有 无活性 淀粉 酶不 能水 解蔗 糖 溶液 色泽 相 同的原 因 得 出酶作用 的专一性后，启 发学生进一步思 考：酶作用具有专一性对于细胞生命 活动 的意义 是什 么?从 中体会酶的专一性与细胞 代谢高度有 序 的关 系。2 1 4简介酶作用的机制 酶作用 的机制主要是 从理论上酶具有专一 性和高效性 的原 因，不同版 本 的课 本都 或多或少 地介绍 了匙一 锁学 说和诱导 契合学说 的基本要点。各种学说 观点 的一致性在 于：强调 酶(E)的活性部位与底 物(S)之 间特异性 结合，生成酶一 底物复合物(E S)；处于过渡态(E S)酶 的催 化基 团与底物 的相关 基 团之间相互作 用，降低(E S)一(E+P)反应的活化能，从而提高代谢反 应 速 率。教 学 时，可 利 用相 关 的 图解 帮 助 学生 理 解 酶 的专一性和酶 降低反应活化能的作用。2 1 5 自主 探 究 影 响 酶 活 性 的 因 素 酶 活 性 也 称酶活力，是指酶催化 的化学反应 速率。酶活性受 到酶浓 度、底 物浓度、p H、温度、激 活剂、抑制剂 和 产物浓度等多种 因素 的影 响，因此，影响酶活性 的 因素是培养学生 自主探究能力 的 良好 素材。适合于学生进 行 自主探究 的实验活动，可选 择 过氧化氢酶和淀粉酶作为研究对 象 既节省经 费又便于操作。实践 表明，让学 生 自主探究 p H对 过 氧化 氢酶活性 的影响或者温度对淀粉 酶活性的 影 响，都 能 取 得 比较 理 想 的 实验 效 果。2 2 A T P化学知识 的教学 2 2 1 用 形象 的 比喻 导人 细胞 与能 量 的教学 A T P化学知识 的教学可用 l 课 时完成。教学起始，教师可 出示一个 由整 洁到凌乱 再到整洁 的房 间图 片，形象地说 明维持房 间的整 洁和井然有序状 态 是需要做功 的，即消耗一定 的体 能。然后，启发 学 生思考：细胞就 是一个高度有序 的结构，细胞维持 2 6 生物学通报 2 0 0 9年 第 4 4卷 第 8 期 自我结构 的有序性是否需要能量 呢?由此导人 细 胞 与 能 量 的教 学。2 2 2剖析射箭运动员 的体 能转化，揭示细胞 的 能 量 代 谢 过 程 细 胞 的能 量 代 谢 是 指 细胞 内 能量 的 释 放、转 移、贮 存 和 利 用，本 单 元 教 学 阐述 的放 能反应和 吸能反 应，以及 A T P A D P循 环等 内容 实 际上 是 揭 示 细 胞 的能 量 代 谢 过 程。教 学 时，首先 出示 北京 奥运 会 射箭 冠军 张 涓涓 的射 箭运 动 照 片，引 导 学 生 说 出 箭 簇 飞 逝 的 能 量 形 式(动 能)，分 析 运 动 员 拉 动 弓 弦 的体 能 形 式(机 械 能)，追 踪 人体细胞 中的能量来 源及 大体转化 过程，用图解 表 示 如 下：吸能 淀粉中 吸 能 糖元中 放能 活跃的 吸 能 机械能 尤雕 化学能 化学能一 化学能 等形式 细胞的储备能源 运动员的体能转化 图 3 细胞 能量 的转化 形式 结合上 面图解进 行后继的学习活动，首先使 学 生 明确 能 量 有 多 种 形 式。除 阳光 的 辐射 能、飞 逝 箭簇 的动能外，化学能是细胞 内最主要 的能量形 式，其 中，淀粉和糖元储 备的稳定化学能不能被生 命活动直接利用。能够被生命活动直接利用 的是 活 跃 化 学 能，细 胞 内各 种 化 学 能称 为 势 能或 位 能。然 后，启 发 学 生 从 能 量 能 够 由一 种 形 式 转 变 为 另 一种形式。尤其是细胞 内能量来源 于光 能这个事 实，领悟生物体和细胞是一个开放的、耗能的生命 系统。最后，结合典型实例和相关图解，如光合作 用 和呼吸作用 中的物质 和能量 的变化，让学 生理 解 细胞 内 吸 能反 应 和放 能 反 应 的 区别 和 联 系。化学能 生成物化 擘能水平 反成物化 学能水平 吸能 反 应进 群 图 4 吸 能 反 应 和 放 能 反 应 中 物 质 与 能 量 变 化 的 区 别 2 2 3知 识 结 构 层 层 推 进 阐 明 A T P是 细 胞 的 能 量“通货”学生对 细胞 内的活跃化 学能感到新 奇，由此导入 A T P化学 知识 的教学环节。前面提 到，A T P化 学 知 识 主 要 包 括：A T P分 子 的 组 成、A T P与 A D P的 转 化、A T P生 成 的 途 径、A T P的 利 用方式等内容，这些单元 知识点之 间环环相扣，即 A T P的 分 子 组 成 是 A T P与 A D P相 互 转 化 的结 构 基 础 A T P与 AD P转 化 则 是 A T P生 成 和 利用 的 必 要 前 提。因此。教 学 要 把 握 每 个 知 识 点 的层 次 结 构 和 相 关 知 识 之 间 的 内 在联 系，重 视 知识 结 构 的 层 层 推 进，直 至 阐 明 A T P是 细胞 的能 量 通 货。结合 A T P分子 的结 构图或结构式(图 5)讲 解 A T P分 子 的组 成 时 要 注 意 知 识 更 新：A T P分 子 是 由 1个核 糖、1个 腺 嘌呤 和 3个磷 酰基 团组 成 的，不 能 将 磷 酰 基 团(一 P O，)误 称 为 磷 酸 基 团(一 O P O z+)；A T P分子末端 的 P 一 0键断裂释放的能 量，是 来 自于 一 磷 酰 基 团转 移 的势 能 而不 是 P O 之 间 的键 能 过 去将 P O 键 称 为 高 能磷 酸 键 是 不 对 的，目前科学家沿用 的高能磷酸键是指 A T P水 解 为 A D P(或 AD P水 解 为 A MP)时 的 转 移 磷 酰 基 团(一 P O +)，用 表 示。A T P分 子 结 构 简 图应 写 成 A 一 ，有些大学课本中甚至写成 A 一 一 一 ；A T P水解 为 A D P时释 放的能量为负值(-3 0 5 k J mo 1)。NH 隙豫呤 f 3 个磷酰藜圜 0 O()-)一 。一 旦。一 。一 I I l O()0 NC c c N l l N尹 c U 1 U H 图 5 A T P的分 子组 成 A T P与 A D P相互 转 化 是 教 学重 点 和关 键。教 学时 首先 以图 2为依 据，运用边 绘 图、边讲解 的 方 法 阐述 A T P A D P循 环 过 程 中物 质 和 能 量 的变 化。即 A D P与 P i 发生反应时，生成 A T P并贮存 能 量；A T P与 H O发 生 反 应 时，生成 A D P和 P i 并 释 放 能 量。这 样，学生 容 易理 解 A T P生 成 反应 是 一个 吸能 反 应，吸 收 的能 量 暂 时储 存 在 A T P分 子 末 端 的 一 磷 酰基 团 中；A T P水解 反 应 是一 个放 能 反 应，释放 的 能量 来 源 于 一 磷 酰 基 团转 移 的 势能。学生一旦认识 A T P AD P循 环的本质，让他们 讨论 在运动 员 的肌 细胞 中 A T P与 A D P相互 转化 的必需 条件 明确必须有 一个放能反应 为 A T P的 生 成 反 应 提 供 能 量 或 者 有 相 应 的吸 能 反 应 利 用 A T P水解时释放的能量。学生 已经 习得葡萄糖是 细胞 的主要 能源物质 糖元是动物细胞 的储备能 源物质，脂肪是 生物体 的储 备能源 物质，因此，不 难 理 解 生 成 A T P需 要 的能 量 来 自于 细 胞 呼 吸。学 生对 A T P的利用 方式 比较 陌生，除借助 图 6启发 2 0 0 9 年 第 4 4卷 第 8期 生物学通报 2 7 “神经调节与体液调节的关系 的教学设计 刘 茂勋(江苏 省扬 州市 第一中 学 江苏 扬 卅 I 2 2 5 0 0 3)中 国 图 书分 类 号：G6 3 3 9 1 文 献 标 识 码：C “神经调节与体液调 节的关系”一节 内容，人 教版和苏教版教材都有安排，但侧重点有所不 同。这 需要 教 师从课 程 标准 的角度 去 分 析教 材 的 内 涵，从新 的层面去发掘知识的 内在联系。1 设 计 理 念 力 求 在 本 节 课 的教 学 过 程 中 培 养 学 生 用 已 学 的知识(神经 调节 的基 础、体液 调 节 的特 点)，解 答 新 情 境 的 问题(神 经 调 节 和 体 液 调 节 的 比 较)，分析解 决新 问题(为什么 2种 调节 具有不 同 之处)。引导学生在知识形成 的过程(体温调节过 程)，通 过分 析、比较，理 解体 温 调节 过程 的基础(反射 弧、体温 调节 中枢、皮 肤 的有关 结构)以及 有关 基础知识的相互联系(根据体温调节的过程 归纳出中枢神经系统与 内分泌腺的关系)等。2 教 材 处 理 此 节 内 容 安 排 2节 课。本 节 课 内容：神 经 调 节 和体液调 节的比较，以及 人体 的体 温调 节这 2部 分 内容，并 由此归纳出神经调节和体液 调节的关 系。3教 学 目标 1)简述 神经调节和体 液调节 的特点。2)描述体 温调节。3)说 出神经调节 与体 液调节间的协调关系。4教 学 重 点、难 点 重点：神经调节 与体 液调节的协调。难点：人体 的体温调 节的分析。5 教 学 过 程 5 1 复 习 要 求 学 生 回答：膝 跳 反 射 属 于 什 么 调 节?血 糖 浓 度 稳 定 是 怎 样 调 节 的?5 2体 液 调 节 的 概 念(见 教 材)il,r 4 1b 他们再现 已有知识外，有条件 的学 校可为学生提 供 大 脑 皮 质 的兴 奋 传 导、发 光 烟 草 和 老 鼠等 视 频 或图片资料。图 6 A l-P 的 利 用 方 式 学 生 在 认 识 A T P与 AD P转 化 条 件 的 过 程 中 会意识到 A T P分子储存的化学 能与葡萄糖 等有 机 物 中的化学 能有本质 区别，前者通 过转移 y 一 磷 酰 基 团为细胞 的生命 活动 提供 能量 A T P是 细胞 中 活跃化学能 的储存形式，是生命活动 的直接 能源。在此基础上，师生共 同将细胞 内能量代谢 的图解(图 2)完善起来，“A T P是细胞 内放能反应 和吸能 反 应 之 间 的纽 带”、“A T P是 细 胞 的 能 量 通 货”这 些 命题的陈述句，就会深深地镌刻在学生 的头脑 中。2。2 4 图 解 A T P生 成 的途 径，为 后 续 学 习 奠 定 基 础 学 生 已经 知道 A T P的 生成 反应 需 要偶 联 的 放能反应提供能量，教学 时先鼓 励学生写 出生 成 A T P的反应 式(见图 7)，然后，启 发学 生图解动物 细 胞 和 绿 色 植 物 细 胞 生 成 A T P的 能 量 来 源 从 而 为学 习光合作用 和呼吸作用打下基础。AD+H2 0 图 7 A TP生成 的途径 以上有关“细胞代谢 的条件”的教学组织是笔 者 的点 滴教学体会，与各 位同仁进行交流，期望起 到抛砖 引玉的作 用。(E-m a i l：y u e 2 4 1 5 s i n a c o m)