鄭彬瓊 （莆田市秀嶼區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校 福建莆田 351146）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）倡導(dǎo)通過歸納與概括、模型與建模等方法闡釋分子與細(xì)胞等相關(guān)概念的內(nèi)涵，建議設(shè)置恰當(dāng)?shù)奶骄啃詫W(xué)習(xí)活動達(dá)成科學(xué)思維等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[1]?！暗鞍踪|(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”是2019年6月第1 版普通高中生物學(xué)（人教版）第2 章第4 節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，在實(shí)際教學(xué)過程中，由于高一學(xué)生缺乏有機(jī)化學(xué)知識基礎(chǔ)，因此，缺乏氨基酸三維空間結(jié)構(gòu)想象力，對氨基酸空間結(jié)構(gòu)的理解只停留在教材中的平面結(jié)構(gòu)模式，甚至不少學(xué)生上完本節(jié)課后依然認(rèn)為H2N-CH2-COOH 和HOOC-CH2-NH2是不同的氨基酸，經(jīng)過訪談得知學(xué)生誤以為必須與教材中的一樣，氨基酸的氨基必須在左側(cè)、羧基在右側(cè)。因此，探索制作可拼接的三維學(xué)具，并通過小組合作的方式，完成模擬“氨基酸組成蛋白質(zhì)”的動態(tài)過程，以突破教學(xué)難點(diǎn)[2]，讓學(xué)生在“做中學(xué)、做中思、做中悟”，從平面轉(zhuǎn)立體、以實(shí)踐代替講授、化抽象為形象培養(yǎng)科學(xué)思維，從分子水平構(gòu)建結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念[3]。

1 探究氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 制作可拼接氨基酸立體模型 材料準(zhǔn)備：直徑1 cm 的泡泡球、打印紙、彩色卡紙、鐵線、雙面膠、牙簽等。用畫圖工具或手工繪制組成氨基酸的4 種基團(tuán)—H（藍(lán)色）、—COOH（紅色）、—NH2（綠色）、R 基（黑色），在泡泡球的中間用黑色水筆標(biāo)記C，代表碳原子。打印并分別剪下4 種化學(xué)基團(tuán)，用雙面膠固定牙簽代表化學(xué)鍵（圖1），其中—COOH、—NH2、—CH2—SH 這3 種化學(xué)基團(tuán)需要剪下與相應(yīng)基團(tuán)等比的卡片用雙面膠固定，以便制作部分空心夾層形成可拼接的結(jié)構(gòu)（圖2）。1.2 教學(xué)應(yīng)用 教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生常困惑于組成氨基酸的4 個(gè)基團(tuán)是如何連接在同1 個(gè)碳原子上？如何理解組成氨基酸的基團(tuán)中至少有1 個(gè)氨基和1 個(gè)羧基？學(xué)生4 人1 組，閱讀教材第29 頁的資料，運(yùn)用—H、—COOH、—NH2和側(cè)鏈基團(tuán)組裝具有三維空間結(jié)構(gòu)的氨基酸（圖3），通過旋轉(zhuǎn)氨基酸三維模型，從不同角度觀察其結(jié)構(gòu)，完成氨基酸平面結(jié)構(gòu)到立體結(jié)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)變，更直觀地理解氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。要求學(xué)生用藍(lán)筆圈出表1 中每種氨基酸的相同結(jié)構(gòu)，用紅筆圈出每種氨基酸的特殊結(jié)構(gòu)并用R 表示，總結(jié)并寫出氨基酸的結(jié)構(gòu)通式，小組成員間互相評價(jià)、修正。

圖1 組成氨基酸的基團(tuán)

圖2 可拼接的氨基酸基團(tuán)

圖3 半胱氨酸立體模型

最后合作小組共同分析每種氨基酸中的氨基數(shù)和羧基數(shù)。分析表1 數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有的氨基酸，例如，賴氨酸有2 個(gè)氨基和1 個(gè)羧基，天冬氨酸有2 個(gè)羧基和1 個(gè)氨基，通過比較分析，學(xué)生總結(jié)出每種氨基酸都至少有1 個(gè)氨基和1 個(gè)羧基。學(xué)生在獨(dú)立思考的基礎(chǔ)上，通過合作學(xué)習(xí)進(jìn)一步理解氨基酸概念的內(nèi)涵。

表1 氨基酸結(jié)構(gòu)通式

以氨基酸三維學(xué)具模型制作創(chuàng)設(shè)探究性的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生親自實(shí)踐，運(yùn)用獨(dú)立思考與合作學(xué)習(xí)相結(jié)合的學(xué)習(xí)策略，基于學(xué)生的化學(xué)學(xué)科知識儲備和認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計(jì)簡單到復(fù)雜的學(xué)具制作任務(wù)，再讓學(xué)生通過觀察比較21 種氨基酸的模型總結(jié)出氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立氨基酸的抽象的空間結(jié)構(gòu)模型概念，突破教學(xué)難點(diǎn)。在此學(xué)習(xí)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和合作交流能力。

2 探究氨基酸脫水縮合過程

2.1 二肽和多肽立體模型制作

1）選擇2 個(gè)已制作好的氨基酸模型，拆卸其中一個(gè)氨基酸模型中—CO—OH 基團(tuán)的—OH，再拆卸另一個(gè)氨基酸模型中—NH—H 基團(tuán)的—H。

2）將氨基酸模型—CO—中代表化學(xué)鍵的長方形小紙片插入另一個(gè)氨基酸的—NH—基團(tuán)中的空心夾層，結(jié)合形成—CO—NH—，2 個(gè)氨基酸模型通過肽鍵結(jié)合在一起形成二肽，同時(shí)脫去1 分子的水（圖4）。

圖4 氨基酸脫水縮合形成二肽示意圖

3）按照步驟2 將剩余的氨基酸模型都經(jīng)過脫水縮合成多肽鏈。

2.2 教學(xué)應(yīng)用 學(xué)生對于氨基酸脫水縮合的過程很感興趣，但很難理解2 個(gè)氨基酸分子在脫水縮合過程中如何脫去—OH 和—H、肽鍵的形成等問題。因此，根據(jù)教材中圖2-10 氨基酸脫水縮合示意圖，利用之前制作的可拼接的氨基酸模型，模擬氨基酸脫水縮合形成二肽的過程（圖4），讓學(xué)生指出模型中肽鍵的位置，并重復(fù)氨基酸脫水縮合的過程形成三肽、四肽、五肽。學(xué)生先計(jì)算二肽、三肽、四肽和五肽的形成過程中脫去的水分子數(shù)和肽鍵數(shù)，可總結(jié)得出氨基酸在脫水縮合形成多肽的過程中脫去的水分子數(shù)與肽鍵數(shù)的數(shù)量關(guān)系。

經(jīng)過初中階段的生物學(xué)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生已知蛋白質(zhì)在消化系統(tǒng)內(nèi)最終分解成氨基酸被人體吸收，但對蛋白質(zhì)的水解過程尚不清楚，因此，讓學(xué)生將二肽（圖4）脫去的—H 和—OH 重新組裝到原來的氨基酸殘基上，形成2 個(gè)氨基酸，模擬蛋白質(zhì)的水解過程。

通過模型的制作、拆卸、組裝及氨基酸脫水縮合形成多肽，學(xué)生不但獲得直觀性體驗(yàn)，更能將這種體驗(yàn)融入到自己的知識體系中，從而對氨基酸分子的空間結(jié)構(gòu)及脫水縮合的過程理解更到位，培養(yǎng)其運(yùn)用推演、計(jì)算的方法解決學(xué)習(xí)情境中的問題，以及動手操作能力和逆向思維。

3 探究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因

3.1 人胰島素立體模型制作

1）制作2個(gè)—COOH、2個(gè)—NH2和6個(gè)—CH2S—H基團(tuán)，其中—CH2—SH 中的S—H 之間制作成可拼接的結(jié)構(gòu)。

2）取21 個(gè)直徑為1 cm 的泡泡球用鐵絲連接成1 條鏈，并在每個(gè)泡泡球上貼上所代表氨基酸名稱構(gòu)建人胰島素A 鏈框架。另取30 個(gè)泡泡球用鐵絲連接成1 條鏈，同樣貼上所代表的氨基酸名稱構(gòu)建人胰島素B 鏈框架（圖5）。

圖5 人胰島素A、B 鏈和3 種化學(xué)基團(tuán)

3）取出A 鏈，將4 個(gè)—CH2—H 基團(tuán)的鐵絲插到4 個(gè)代表半胱氨酸的泡沫球上，將2 個(gè)—CH2—H 基團(tuán)鐵絲插到另外1 條多肽鏈中的2 個(gè)半胱氨酸的泡沫球上，最后分別將—COOH 和—N2H 基團(tuán)的鐵絲接入每條多肽鏈?zhǔn)住⑽? 個(gè)的泡沫球里，完成組成人胰島素A 鏈和B 鏈2 條多肽鏈的構(gòu)建（圖6）。

圖6 人胰島素A 鏈和B 鏈模型

3.2 教學(xué)應(yīng)用 學(xué)生很難理解組成人胰島素的A、B 2 條多肽鏈?zhǔn)峭ㄟ^哪些特殊結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的？組成蛋白質(zhì)2 條或多條肽鏈如何彎曲、折疊形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)？針對這2 個(gè)問題，先讓學(xué)生觀察教材第30 頁中的圖2-11“某種胰島素的二硫鍵示意圖”，合作小組取出已制作完成的人胰島素A 鏈和B 鏈，將A 鏈中A6 和A11的半胱氨酸中—CH2—S—H 各脫去1 個(gè)—H 形成二硫鍵，用同樣的方法在A7 和B7、A20 和B19 的位置再形成2 個(gè)二硫鍵，通過這3 個(gè)二硫鍵人胰島素的A 鏈和B 鏈結(jié)合在一起（圖7）；讓學(xué)生將此模型進(jìn)一步盤曲、折疊形成更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)（圖8），并討論分析除了形成二硫鍵以外，肽鏈可折疊為更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的原因；最后，讓學(xué)生分享模型構(gòu)建過程并運(yùn)用構(gòu)建的模型解釋為什么蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有多樣性。

圖7 人胰島素二硫鍵示意圖

圖8 人胰島素三維結(jié)構(gòu)模型

學(xué)生利用鐵絲和泡沫實(shí)心球自主探究人胰島素三維空間結(jié)構(gòu)形成過程，使抽象的空間結(jié)構(gòu)形象化。設(shè)計(jì)活動讓學(xué)生運(yùn)用氨基酸脫水縮合的概念合作完成人胰島素A、B 2 條多肽鏈間3 個(gè)二硫鍵的形成，訓(xùn)練知識遷移能力，加深對肽鍵、氫鍵、二硫鍵等化學(xué)鍵的理解，跨越學(xué)科知識障礙，實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科之間知識的融合，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

4 反思

“氨基酸組成蛋白質(zhì)”動態(tài)學(xué)具在教學(xué)中的應(yīng)用通過“氨基酸分子物理模型—氨基酸分子脫水縮合動態(tài)模型—胰島素分子物理模型”的構(gòu)建，讓學(xué)生在實(shí)踐與合作中運(yùn)用直觀模型輔助學(xué)習(xí)新知識，滲透數(shù)學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)思想，在此過程中還涉及歸納、概括、解釋、推斷、預(yù)測等能力的培養(yǎng)，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用系統(tǒng)性的科學(xué)思維解決問題，這些基本上屬于科學(xué)思維中水平一至水平四的范疇。

這些教具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)思維4 個(gè)素養(yǎng)水平的闡述而展開的，但在課堂教學(xué)中，如何通過合理的時(shí)間安排和恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)的歸納、演繹科學(xué)思維到建模的創(chuàng)造性高級科學(xué)思維，是值得一線教師繼續(xù)研究的問題。