周月梅

（龍海第一中學(xué)，福建 龍海 363102）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》明確指出“模型與建模”是重要的科學(xué)思維方法，要求學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用“模型與建?！碧接憽㈥U釋生命現(xiàn)象及其規(guī)律，解決真實(shí)情境中有關(guān)生物學(xué)問題，提升科學(xué)思維能力，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。［1］5E 教學(xué)模式是基于社會(huì)建構(gòu)主義理論的一種探究學(xué)習(xí)模式，一般由吸引、探究、解釋、遷移及評(píng)價(jià)等5 個(gè)環(huán)節(jié)組成，有助于學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念及概念體系，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)參與科學(xué)探究及實(shí)踐活動(dòng)，發(fā)展演繹、歸納、概括、建模、批判性思維及創(chuàng)造性思維等科學(xué)思維能力。［2］根據(jù)5E 教學(xué)模式及其教學(xué)要求，筆者嘗試在高中生物學(xué)教學(xué)中開展建模教學(xué)實(shí)踐與研究，現(xiàn)以2019 年版人教社《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第2 章第4 節(jié)“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”教學(xué)為例，探索5E 教學(xué)與建模教學(xué)有機(jī)結(jié)合路徑。

一、創(chuàng)設(shè)“吸引”學(xué)生學(xué)習(xí)的問題情境

“吸引”是5E 教學(xué)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求教師創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及探究欲望，為“探究”環(huán)節(jié)奠定學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”這節(jié)課的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，首先，創(chuàng)設(shè)問題情境“為什么《中國(guó)居民膳食指南（2016 年版）》推薦每天都要吃一顆雞蛋？你知道雞蛋蛋白質(zhì)進(jìn)入人體消化道后經(jīng)歷了哪些變化？蛋白質(zhì)是以何種形式進(jìn)入人體細(xì)胞內(nèi)的？”指導(dǎo)學(xué)生觀察消化系統(tǒng)示意圖及消化腺示意圖，復(fù)習(xí)有關(guān)蛋白質(zhì)消化等知識(shí)，了解攝入的雞蛋蛋白質(zhì)進(jìn)入消化道后，經(jīng)過胃蛋白酶、小腸中胰蛋白酶、胰肽酶等多種酶的作用，形成蛋白質(zhì)的基本單位氨基酸后才能被人體細(xì)胞吸收。進(jìn)一步創(chuàng)設(shè)問題情境“蛋白質(zhì)具有哪些功能？為何說蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者？”引導(dǎo)學(xué)生開始本節(jié)有關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能知識(shí)的學(xué)習(xí)。

根據(jù)5E 教學(xué)模式“吸引”環(huán)節(jié)的教學(xué)要求，創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實(shí)生活密切相關(guān)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生利用有關(guān)蛋白質(zhì)消化等知識(shí)，初步建立“氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位”的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生探究“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能”的好奇心及興趣。

二、應(yīng)用模型開展建?！疤骄俊?/h2>

“探究”是5E 教學(xué)模式的主體環(huán)節(jié)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，要求學(xué)生觀察現(xiàn)象，識(shí)別變量，透過現(xiàn)象總結(jié)生物學(xué)本質(zhì)規(guī)律。

首先，創(chuàng)設(shè)問題情境：為什么蛋白質(zhì)的基本單位叫氨基酸，其結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？人體從雞蛋中獲取的氨基酸又是如何在細(xì)胞內(nèi)合成功能如此多樣的蛋白質(zhì)？接著，組織學(xué)生圍繞氨基酸的結(jié)構(gòu)、多肽合成過程及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性等開展小組合作建模探究活動(dòng)。

（一）建構(gòu)氨基酸結(jié)構(gòu)模型

教師展示球棍模型，并簡(jiǎn)要解釋其使用方法，要求學(xué)生嘗試建構(gòu)水（H2O）、氨氣（NH3）、甲烷（CH4）等球棍模型。再引導(dǎo)學(xué)生類比構(gòu)建氨基（-NH2）、羧基（-COOH）等化學(xué)基團(tuán)模型，并要求學(xué)生構(gòu)建甘氨酸和丙氨酸等氨基酸模型（圖1），比較分析甘氨酸和丙氨酸結(jié)構(gòu)異同點(diǎn)，理解氨基酸是由碳原子構(gòu)成的碳鏈為基本骨架的單體，得出氨基酸結(jié)構(gòu)通式。

圖1 甘氨酸（左）和丙氨酸（右）球棍模型

（二）建構(gòu)二肽結(jié)構(gòu)模型

指導(dǎo)學(xué)生觀看有關(guān)氨基酸“脫水縮合”的視頻，促進(jìn)學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)多肽合成過程。接著，讓學(xué)生利用已經(jīng)構(gòu)建成功的甘氨酸和丙氨酸球棍模型，建構(gòu)二肽結(jié)構(gòu)模型（圖2），探究脫水縮合過程產(chǎn)生的水分子分別來自氨基酸的哪個(gè)基團(tuán)？從而形成脫水縮合、肽鍵、二肽等概念。并指導(dǎo)學(xué)生利用有關(guān)化學(xué)知識(shí)比較分析二肽模型的氨基端和羧基端，讓學(xué)生明確同樣兩種氨基酸，若排列順序不同，則所形成的二肽是不同，為后續(xù)分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因奠定基礎(chǔ)。

圖2 二肽球棍模型

（三）建構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類比模型

以紐扣模擬氨基酸、軟鐵絲模擬肽鍵及紐扣串模擬肽鏈，使得上述球棍模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為紐扣串實(shí)物模型。每一小組分發(fā)4 條紐扣串，其中一條是由8 個(gè)紅紐扣串成，兩條分別由3 個(gè)藍(lán)色、3 個(gè)黑色、2 個(gè)紅色鈕扣串成，還有一條則隨機(jī)由大小不同、顏色不同的11 個(gè)紐扣串成。首先，要求學(xué)生比較分析四條紐扣串的紐扣種類、數(shù)目及其排列順序，以此構(gòu)建蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)類比模型（圖3）。再讓學(xué)生根據(jù)自己的意愿把一條或多條紐扣串折疊形成不同的紐扣團(tuán)，應(yīng)用這些紐扣團(tuán)建構(gòu)蛋白質(zhì)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)模型，促進(jìn)學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性。

圖3 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)類比模型

根據(jù)5E 教學(xué)模式“探究”環(huán)節(jié)的教學(xué)要求，應(yīng)用化學(xué)球棍模型、生活實(shí)物及一系列遞進(jìn)式問題情境，指導(dǎo)學(xué)生開展三個(gè)循序漸進(jìn)的建模探究活動(dòng)，幫助學(xué)生直觀、感性地認(rèn)識(shí)氨基酸結(jié)構(gòu)、多肽合成過程以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性，在質(zhì)疑、釋疑與評(píng)價(jià)中，建立與理解有關(guān)氨基酸、脫水縮合、多肽、蛋白質(zhì)等生物學(xué)重要概念，提升歸納與概括、分析與綜合能力。

三、在“解釋”中理解生物學(xué)概念

“解釋”是5E 教學(xué)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生解釋探究過程及探究結(jié)果是本環(huán)節(jié)的重點(diǎn)。課堂教學(xué)時(shí)，有機(jī)結(jié)合建模探究、解釋及評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生正確理解科學(xué)概念。

例如，建構(gòu)氨基酸結(jié)構(gòu)模型時(shí)，要求學(xué)生展示、分析及相互評(píng)價(jià)各組建構(gòu)的模型，引導(dǎo)學(xué)生求同歸納氨基酸結(jié)構(gòu)通式，解釋構(gòu)成生物體的氨基酸有21 種的原因是R 基的不同而導(dǎo)致的。同時(shí)，教師重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)氨基酸至少皆含有一個(gè)氨基（-NH2）及一個(gè)羧基（-COOH）。建構(gòu)二肽模型時(shí)，將學(xué)生構(gòu)建的典型的二肽模型拍成視頻，應(yīng)用“希沃小助手”軟件分享給全班學(xué)生，并要求學(xué)生解釋：氨基酸的排列順序是否是固定的？生成的水到底是由什么基團(tuán)提供的？糾正學(xué)生有關(guān)氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、氨基酸的序列、蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象等錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)到兩種氨基酸無論如何排序。只要找準(zhǔn)化學(xué)基團(tuán)就能構(gòu)建二肽，若兩小組相互配合則能成功構(gòu)建四肽，以此類推可以構(gòu)建多肽鏈。建構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類比模型時(shí)，要求學(xué)生觀察教科書中的“由氨基酸形成血紅蛋白的示意圖”，并結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類比模型解釋細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的過程是：氨基酸脫水縮合形成具有一定氨基酸（殘基）排列順序的肽鏈，構(gòu)成蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，肽鏈折疊或螺旋構(gòu)成蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽鏈借助二硫鍵、氫鍵等化學(xué)鍵進(jìn)一步折疊、卷曲形成更復(fù)雜的三級(jí)結(jié)構(gòu)，如肌紅蛋白，由多個(gè)三級(jí)結(jié)構(gòu)相互結(jié)合形成更復(fù)雜的空間構(gòu)象——四級(jí)結(jié)構(gòu)，如血紅蛋白。并讓學(xué)生明確蛋白質(zhì)多樣性的原因是：組成蛋白質(zhì)的氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序不同，以及肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結(jié)構(gòu)不同。

根據(jù)5E 教學(xué)模式“解釋”環(huán)節(jié)的教學(xué)要求，創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生展示模型、解釋建模探究結(jié)果，促進(jìn)學(xué)生通過建模及生物學(xué)事實(shí)，探討與闡釋有關(guān)生命現(xiàn)象。同時(shí)，教師糾正學(xué)生解釋過程中暴露的前科學(xué)概念，解決學(xué)生建模探究過程中生成的問題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，提高建模教學(xué)的有效性與針對(duì)性。［3］

四、在“遷移”應(yīng)用中形成生命觀念

“遷移”環(huán)節(jié)要求教師引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)踐與練習(xí)，加深對(duì)概念的理解與應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生形成生命觀念。

例如，通過有關(guān)腦啡肽結(jié)構(gòu)與功能習(xí)題的練習(xí)，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步理解氨基酸、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，形成有關(guān)氨基酸、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念模型。并要求學(xué)生分析有關(guān)資料：1.血紅蛋白中的纈氨酸取代了谷氨酸，使得紅細(xì)胞扭曲成鐮刀狀，運(yùn)輸氧的能力大為削弱。2.雞蛋煮熟后，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)伸展與松散，使得雞蛋再也不能孵化出小雞。嘗試解釋：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能有什么關(guān)系？促進(jìn)學(xué)生明確：每種蛋白質(zhì)分子皆具有與其所承擔(dān)功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)，若改變氨基酸序列或者是蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，就會(huì)影響其功能，即蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的功能。進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書有關(guān)“蛋白質(zhì)的功能舉例”，深刻理解蛋白質(zhì)多樣性功能與其結(jié)構(gòu)多樣性是密切相關(guān)的，認(rèn)同“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”。

通過當(dāng)堂練習(xí)及資料分析，促進(jìn)學(xué)生在新的問題情境中遷移、應(yīng)用所學(xué)的生物學(xué)概念，嘗試解決實(shí)際問題或者解釋有關(guān)生命現(xiàn)象，形成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性決定其功能多樣性，即有關(guān)“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念。［4］

五、以概念模型助力交流與“評(píng)價(jià)”

“評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)應(yīng)用綜合問題或開放性問題檢測(cè)、反饋學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解與應(yīng)用情況，促進(jìn)師生雙方在交流與評(píng)價(jià)過程中，發(fā)現(xiàn)、改進(jìn)教與學(xué)中存在的問題。

例如，要求學(xué)生以蛋白質(zhì)、氨基酸、脫水縮合等生物學(xué)概念，建構(gòu)“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系”概念模型（圖4），幫助學(xué)生在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，通過反思、完善與修正模型，建構(gòu)有關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能概念體系，同時(shí)學(xué)會(huì)建模方法。并要求學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)評(píng)價(jià)：民間“吃啥補(bǔ)啥”或“以形補(bǔ)形”的說法正確與否。促進(jìn)學(xué)生靈活應(yīng)用生物學(xué)概念及生命觀念解決現(xiàn)實(shí)生活中與生物學(xué)相關(guān)的社會(huì)性問題。

圖4 “蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系”概念模型

此外，“評(píng)價(jià)”還穿插于本節(jié)三次小組合作建模探究活動(dòng)及“解釋”等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生相互評(píng)價(jià)、糾正所建構(gòu)的模型及解釋，鼓勵(lì)學(xué)生勇于發(fā)表不同觀點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展團(tuán)隊(duì)合作能力、表達(dá)能力、批判性思維能力及創(chuàng)造性思維能力。

本節(jié)“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”教學(xué)聚焦生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培育這一高中生物學(xué)課程目標(biāo)，根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)靈活調(diào)整5E 教學(xué)模式的5 個(gè)環(huán)節(jié)，使得5E 教學(xué)模式與建模教學(xué)有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與建模探究活動(dòng)，在建立、理解與應(yīng)用生物學(xué)概念過程中，發(fā)展科學(xué)思維能力與科學(xué)探究能力，形成生命觀念與社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)。