李 鵬 羅 明

（江蘇省蘇州第一中學(xué)校江蘇蘇州215006）

學(xué)具是能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的一些模型、實物、圖表的總稱，具有直觀性的優(yōu)勢，是學(xué)生對抽象概念和理論的理解建立感性和具象的基礎(chǔ)。它與教具最關(guān)鍵的區(qū)別在于：學(xué)具是從學(xué)生使用的角度出發(fā)設(shè)計并由學(xué)生親自動手操作的用具。通過學(xué)具構(gòu)建模型，在“做中學(xué)，學(xué)中做”中突破學(xué)習(xí)重點與難點。本文以“生命活動的主要承擔(dān)者——蛋白質(zhì)”一節(jié)的教學(xué)過程為例，對如何利用學(xué)具輔助生物學(xué)教學(xué)進行初步探究。

1 教材編排分析

本節(jié)是人教版普通高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》第2章第2節(jié)的內(nèi)容，與后續(xù)將要學(xué)習(xí)的必修1中的酶、載體、糖蛋白，必修2中基因的表達(dá)及必修3中的抗體等知識密切相關(guān)，學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是理解其功能多樣性的基礎(chǔ)，有助于建立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點。

2 學(xué)情分析

學(xué)生缺少一定的有機化學(xué)基礎(chǔ)，無相應(yīng)的知識鋪墊，教學(xué)要求與學(xué)生的認(rèn)知水平跨度較大。例如學(xué)生會將氨基酸結(jié)構(gòu)通式理解為是一個平面結(jié)構(gòu)，無法辨識互換化學(xué)基團后的氨基酸；對脫水縮合的具體過程、多肽的分子量、氨基酸數(shù)、肽鍵數(shù)、脫去水分子數(shù)的計算；肽鏈中至少含有的羧基數(shù)和氨基數(shù)推算；肽鏈水解時所需水分子數(shù)的計算等也較難掌握。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo):①說明氨基酸的結(jié)構(gòu)特點，以及氨基酸形成蛋白質(zhì)的過程;②概述蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，以及蛋白質(zhì)多樣性的原因。

2）能力目標(biāo):①通過對已知信息的分析比較和討論,鍛煉思維能力；②利用學(xué)具嘗試構(gòu)建氨基酸及多肽的分子模型,培養(yǎng)動手能力；③通過對多肽結(jié)構(gòu)模型的觀察，提高分析推理能力。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo):①通過分組構(gòu)建模型，學(xué)生認(rèn)識到學(xué)科間交叉滲透的重要性，培養(yǎng)團隊合作精神；②認(rèn)同蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，樹立結(jié)構(gòu)與功能具有統(tǒng)一性的基本生物學(xué)觀點。

4 教學(xué)重、難點

1）教學(xué)重點：①氨基酸的結(jié)構(gòu)特點，以及氨基酸形成蛋白質(zhì)的過程；②蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。

2）教學(xué)難點：①氨基酸形成蛋白質(zhì)的過程；②蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)多樣性的原因。

5 教學(xué)策略

本節(jié)課以“生活導(dǎo)入—問題探討—構(gòu)建模型—對比觀察—總結(jié)規(guī)律”的路線，通過分組合作,利用學(xué)具從蛋白質(zhì)的元素組成—基本單位—化學(xué)連接—空間結(jié)構(gòu)4個層次開展建模教學(xué),利用Starc電子交互式雙板及實物展臺,即時呈現(xiàn)學(xué)生的實踐成果,在操作、體驗、合作、分享中突破教學(xué)重、難點。

6 課前準(zhǔn)備

全班分為6組，每組5人，每組8個氨基酸組件，每個組件（圖1）由不同色彩、大小、標(biāo)識的亞克力球組成，亞克力球代表原子，可通過尼龍連接栓插（圖2）進行連接，通過粘貼“丙、甘、色、纈、苯丙、異亮”等標(biāo)識區(qū)分20種R基。

圖1 氨基酸組件

圖2 尼龍連接栓插

7 教學(xué)過程

7.1 課堂引入教師聯(lián)系生活，情境引入：男生強健的肌肉和女生飄逸的秀發(fā)的主要成分是什么?日常生活中哪些食物富含蛋白質(zhì)？教師用多媒體展示圖片資料，并提問蛋白質(zhì)對人體有何意義？引出課題“生命活動的主要承擔(dān)者——蛋白質(zhì)”。

學(xué)生在生活經(jīng)驗的基礎(chǔ)上回答，明確蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物體和參與生命活動的基本物質(zhì)。

7.2 氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位教師提問：蛋白質(zhì)是怎樣被人體吸收的?

學(xué)生回答：蛋白質(zhì)是大分子有機物，不能被人體直接吸收，必須經(jīng)消化、分解成小分子的氨基酸才能被人體吸收。

設(shè)計意圖：基于常識設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生初步理解氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位。

7.3 構(gòu)建氨基酸的分子模型教師分發(fā)學(xué)具并說明。

學(xué)生活動1：結(jié)合教材及學(xué)具說明說出各組件所代表的原子；利用組件分別構(gòu)建氨基酸的主要基團，并通過實物展臺即時呈現(xiàn)學(xué)生的構(gòu)建進程。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從教材文字、圖示獲取信息，了解構(gòu)成氨基酸的化學(xué)元素和基團。

學(xué)生活動2：利用各基團構(gòu)建完整的氨基酸分子模型。教師請已構(gòu)建好模型的小組代表上臺，展示并說明構(gòu)建思路，分享心得體會。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生由氨基酸結(jié)構(gòu)通式了解各化學(xué)基團與中心碳原子的關(guān)系。中心碳原子組件設(shè)計為4個單鍵，羧基碳原子組件設(shè)計為2個單鍵和1個雙鍵，學(xué)生會因為未觀察到上述差異而導(dǎo)致構(gòu)建失敗，由此為學(xué)生試錯提供了可能，從而使學(xué)生對氨基酸的結(jié)構(gòu)有更為深入的理解，并為后續(xù)學(xué)習(xí)脫水縮合及肽鍵等知識打下基礎(chǔ)。

7.4 氨基酸的平面結(jié)構(gòu)教學(xué)教師將3種氨基酸的分子式發(fā)送至每組電子白板上，布置如下任務(wù)和問題:在屏幕上圈出3種氨基酸的共同結(jié)構(gòu)，并提問：上述3個氨基酸的結(jié)構(gòu)區(qū)別在哪里?給出谷氨酸和賴氨酸的分子式，要求學(xué)生用紅筆圈出2種氨基酸的R基并分別數(shù)一數(shù)2種氨基酸中的氨基數(shù)和羧基數(shù)。

學(xué)生活動1:觀察討論后在電子白板上分別圈出3種氨基酸的異同部分，得出不同氨基酸的區(qū)別在于R基上；有些氨基酸含有多個氨基或多個羧基。

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)氨基酸的結(jié)構(gòu)特點，寫出氨基酸的結(jié)構(gòu)通式。

結(jié)構(gòu)特點：每個氨基酸分子都至少含有1個氨基和1個羧基,并連在同一個碳原子上；R基種類決定氨基酸的種類。

學(xué)生活動2：習(xí)題鞏固，落實基礎(chǔ)。

設(shè)計意圖：通過構(gòu)建氨基酸分子模型，引導(dǎo)學(xué)生由教材圖像模型構(gòu)建物理模型，進而向概念模型轉(zhuǎn)換，從不同途徑和多個角度加深對氨基酸結(jié)構(gòu)的理解，促進學(xué)生高階思維，回歸課程目標(biāo)。

7.5 構(gòu)建二肽、三肽及多肽分子模型教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，學(xué)習(xí)氨基酸形成蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次，引導(dǎo)學(xué)生思考2個氨基酸之間的連接方式。

學(xué)生活動1：討論、發(fā)言，了解“脫水縮合”“二肽”“多肽”“肽鏈”等概念。

學(xué)生活動2：利用已構(gòu)建的氨基酸模型構(gòu)建二肽及多肽模型，每組可構(gòu)建1條含有較多氨基酸的多肽，組間合作可構(gòu)建更長的多肽。實物展臺同步呈現(xiàn)學(xué)生構(gòu)建的進程。

教師請小組代表上臺展示多肽模型（圖3），并敘述氨基酸經(jīng)脫水縮合形成多肽的具體過程，同步演示脫水縮合的動畫過程，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)脫水縮合規(guī)律。

圖3 多肽模型

設(shè)計意圖：學(xué)生往往對氨基酸的脫水縮合的具體過程感到較為抽象，例如氨基和羧基分別脫去了什么，脫去水分子中的H原子和O原子分別來自哪個基團？氨基酸數(shù)、肽鍵數(shù)、脫去水分子數(shù)、肽鏈條數(shù)之間的關(guān)系是什么？肽鍵的化學(xué)結(jié)構(gòu)是怎樣的？為什么1條肽鏈至少含有1個游離的氨基和1個游離的羧基？建構(gòu)主義知識觀認(rèn)為，學(xué)生不是知識的接受者,而是知識的自主建構(gòu)者。學(xué)生根據(jù)已有概念經(jīng)驗進行聯(lián)想推測,利用學(xué)具模擬構(gòu)建呈現(xiàn)自己對脫水縮合過程的理解和重構(gòu)，從而實現(xiàn)概念模型向物理模型的轉(zhuǎn)換，也反饋促進了對概念和知識的理解，同時也為構(gòu)建、抽象出氨基酸脫水縮合的數(shù)學(xué)模型，即肽鏈中氨基酸數(shù)、肽鍵數(shù)和脫去的水分子數(shù)相關(guān)計算等打下基礎(chǔ)。

7.6 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性和特異性的教學(xué)教師引導(dǎo)學(xué)生觀察、比較相鄰小組構(gòu)建的多肽模型。

學(xué)生活動：組間比較不同多肽模型的異同點，思考不同多肽的氨基酸之間的連接方式是否相同？氨基酸的種類、數(shù)目和排序是否相同？20種氨基酸是否能夠構(gòu)成1012種蛋白質(zhì)？小組經(jīng)討論后派代表發(fā)言。

教師小結(jié)多肽及蛋白質(zhì)多樣性的原因：氨基酸的數(shù)目、種類、排序，以及肽鏈的空間結(jié)構(gòu)千差萬別導(dǎo)致了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生通過思考、交流、合作,設(shè)計完成任務(wù)的方案,構(gòu)建小組學(xué)習(xí)共同體。學(xué)生構(gòu)建的多肽模型并不都是線性的平面結(jié)構(gòu)，可能會由于氨基酸組件之間的連接角度不同而呈現(xiàn)多樣、彎曲的立體結(jié)構(gòu)；此外在推算1條多肽中的肽鍵數(shù)時，大部分學(xué)生會得出（n-1）個的結(jié)論，但有的學(xué)生突發(fā)靈感，將多肽模型首尾的氨基和羧基進行脫水縮合，形成1條環(huán)狀多肽，從而得出不同的結(jié)論。學(xué)具提供了學(xué)生思維和實踐的新平臺，創(chuàng)設(shè)沖突情境,引發(fā)思想碰撞，刺激個體反省，開拓了更廣闊的思維空間；引導(dǎo)學(xué)生在觀察中比較，在思考中歸納，實現(xiàn)了對知識的理解，從外化和感性的學(xué)具轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的主體思維和概念。

7.7 多肽水解的延伸教學(xué)教師指導(dǎo)學(xué)生將多肽模型水解為氨基酸。

學(xué)生將多肽模型拆解為單個氨基酸組件，理解蛋白質(zhì)在水的參與下分解成氨基酸的過程，了解脫水縮合與水解反應(yīng)的關(guān)系，以及肽鏈合成時脫去的水分子數(shù)、多肽水解所需的水分子數(shù)、肽鍵數(shù)的關(guān)系。

設(shè)計意圖：充分利用學(xué)具，使盲目地將多肽模型拆散回學(xué)具組件的過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛心繕?biāo)的延伸性學(xué)習(xí)過程。模型的拆分過程也是一種逆向的模型構(gòu)建過程，可加深學(xué)生對本節(jié)核心概念的理解，提升思維的靈活性和延展性，同時也促進學(xué)生熟練掌握并應(yīng)用知識原理完成目標(biāo)的達(dá)成，真正建立了學(xué)具和學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中抽象概念的實質(zhì)性聯(lián)系。

7.8 蛋白質(zhì)功能多樣性的教學(xué)教師展示相關(guān)圖像與資料，結(jié)合學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，請學(xué)生聯(lián)系生活實際敘說蛋白質(zhì)的功能。教師及時捕捉學(xué)生回答中體現(xiàn)蛋白質(zhì)功能的關(guān)鍵詞，讓學(xué)生把握重點，加深記憶。強調(diào)“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的觀點，回歸主題“生命活動的主要承擔(dān)者——蛋白質(zhì)”。

7.9 效果評價，課堂總結(jié)教師小結(jié)：本節(jié)課學(xué)習(xí)了氨基酸的結(jié)構(gòu),組成蛋白質(zhì)的氨基酸共有20種，區(qū)別在R基上,氨基酸經(jīng)過脫水縮合形成多肽，多肽經(jīng)過盤繞折疊形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性決定了功能的多樣性。

學(xué)生進行針對性練習(xí)，利用學(xué)具輔助理解問題，并自我評價學(xué)習(xí)效果。

設(shè)計意圖：運用重要概念引領(lǐng)，小結(jié)本課主要內(nèi)容，強化知識運用和遷移能力，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進行判斷、評價。

8 教學(xué)反思

1）利用學(xué)具組件將氨基酸和多肽的模擬構(gòu)建貫穿于教學(xué)過程中，讓學(xué)生分組構(gòu)建分子模型，通過“做中學(xué)，學(xué)中做”，使抽象的生物學(xué)知識具化、簡化、易化。學(xué)生可不斷從直觀模型出發(fā)，推理原型的屬性，與傳統(tǒng)教學(xué)相比更有利于學(xué)生理解“氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”等重要知識點，保持更長久的記憶。

2）本節(jié)課在氨基酸的結(jié)構(gòu)、脫水縮合、蛋白質(zhì)的多樣性和特異性、多肽的水解4個環(huán)節(jié)使用了學(xué)具，通過構(gòu)建活動串聯(lián)教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)設(shè)置梯度任務(wù)，完成課程目標(biāo)。教學(xué)設(shè)計引入自然、過渡流暢、層層推進、重點突出。

3）在分小組構(gòu)建模型的過程中，組員如何分工？是否全部參與到模型構(gòu)建過程中？模型構(gòu)建過程是否高效？教師在一節(jié)課的時間內(nèi)還無法做到全面兼顧，也會因?qū)W生對學(xué)具的熟悉度不夠、經(jīng)歷的模型構(gòu)建較少、動手和思維能力的差異、操作時間的限制等因素使最終的教學(xué)效果受到一定影響，有待今后進一步研究。

［1］羅明.核酸學(xué)具模型開發(fā)與應(yīng)用的研究及思考.生物學(xué)通報,2016,51(5):34.

［2］羅明.一種氨基酸及多肽模型:中國，ZL 2015 2 0610871.5.2015－12-16.