劉偉華??李霞??何彬??楊恬然

摘要：線上教學(xué)背景下，教師以胰島素合成的相關(guān)科學(xué)研究發(fā)展過程中的重要事件為線索，聚焦生命觀念，借助專業(yè)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)合成胰島素分子結(jié)構(gòu)可視化，應(yīng)用數(shù)字化工具開展師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，促進(jìn)信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合，提升學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀，以及生命的信息觀。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化教學(xué)；生命觀念；蛋白質(zhì)；生物學(xué)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，生命觀念是指對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象，是人們經(jīng)過實(shí)證后的觀點(diǎn)，是能夠理解或解釋生物學(xué)相關(guān)事件和現(xiàn)象的意識(shí)、觀念和思想方法。教師要引導(dǎo)學(xué)生在理解并運(yùn)用生物學(xué)概念的基礎(chǔ)上建立生命觀念。信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合是大勢所趨。教師科學(xué)應(yīng)用信息技術(shù)能夠更好地創(chuàng)設(shè)情境，開展課堂活動(dòng)，改進(jìn)教學(xué)方式，幫助學(xué)生建立生命觀念，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)目標(biāo)。如何確保線上教學(xué)的實(shí)效性，助力線上教學(xué)與線下實(shí)踐？下面，筆者以“胰島素的前世今生”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，介紹如何有效開展數(shù)字化教學(xué)。

一、“胰島素的前世今生”數(shù)字化教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)內(nèi)容分析

蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，為生命活動(dòng)提供重要支持。蛋白質(zhì)功能多樣性與其結(jié)構(gòu)密不可分。有的蛋白質(zhì)是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的重要組成成分，有的蛋白質(zhì)具有運(yùn)輸功能，有的蛋白質(zhì)具有催化化學(xué)反應(yīng)的功能。胰島素從化學(xué)本質(zhì)上看是蛋白質(zhì)，常用于治療糖尿病。在過去的近百年時(shí)間，胰島素經(jīng)歷了從無到有，從動(dòng)物胰島素到人胰島素，再到胰島素類似物三個(gè)階段。筆者以胰島素的發(fā)展歷程這一真實(shí)情境為背景，層層遞進(jìn)解決現(xiàn)實(shí)問題，組織專題復(fù)習(xí)課的教學(xué)活動(dòng)。

蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者這部分內(nèi)容，還涉及基因的表達(dá)、基因工程和蛋白質(zhì)工程等知識(shí)。教師從多個(gè)角度闡釋蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，聚焦結(jié)構(gòu)與功能觀，帶領(lǐng)學(xué)生熟悉蛋白質(zhì)合成過程，揭示科學(xué)本質(zhì)，構(gòu)建生命的信息觀。

（二）主要教學(xué)環(huán)節(jié)及問題設(shè)計(jì)

教師圍繞“如何利用胰島素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行胰島素合成以實(shí)現(xiàn)其功能的優(yōu)化”這一核心問題，以研究合成胰島素為主線，通過問題串引導(dǎo)學(xué)生思考活動(dòng)。筆者結(jié)合案例，做了如下的教學(xué)流程及問題設(shè)計(jì)（如圖1）。

（三）教學(xué)過程

1. 情境引入，復(fù)習(xí)反饋

據(jù)最新流行病學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)，目前我國糖尿病患病率為11.2%，呈逐年上升趨勢。依據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）診斷標(biāo)準(zhǔn)，注射胰島素是降低血糖的有效手段。教師首先提出問題“胰島素為何能發(fā)揮降血糖的功能”“胰島素在胰島B細(xì)胞中是如何合成的”，然后反饋學(xué)生的掌握情況，出示圖片并講解胰島素合成過程（如圖2）。

2. 人工合成牛胰島素

注射用的胰島素是怎么來的呢？教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀學(xué)案中我國科學(xué)家合成牛胰島素的相關(guān)資料，并提出問題：“人工合成牛胰島素面臨哪些問題？”學(xué)生回答：考慮兩點(diǎn)——人工合成牛胰島素需要哪些原料；合成后是否就具有功能。

教師出示英國科學(xué)家桑格（F.Sanger）在1953年測得牛胰島素全部氨基酸的排列順序的相關(guān)資料（如圖3）。

布置任務(wù)：教師以A鏈中第3位的纈氨酸和第4位的谷氨酸為例，板書兩個(gè)氨基酸的脫水縮合過程，并邀請一名學(xué)生在平臺(tái)屏幕上書寫。在學(xué)生完成任務(wù)后，教師進(jìn)行點(diǎn)評，播放氨基酸形成多肽鏈的視頻，夯實(shí)脫水縮合過程相關(guān)知識(shí)。教師在此基礎(chǔ)上追問：“人工合成A鏈、B鏈后，牛胰島素就可以發(fā)揮作用嗎？”學(xué)生討論后闡明觀點(diǎn)：只有A鏈和B鏈盤曲折疊，形成特定的空間結(jié)構(gòu)，胰島素才能發(fā)揮作用。教師推送牛胰島素的網(wǎng)址鏈接，讓學(xué)生利用RCSB pdb蛋白結(jié)構(gòu)在線搜索數(shù)據(jù)庫，通過拖曳全方位直觀認(rèn)識(shí)牛胰島素的3D空間結(jié)構(gòu)。學(xué)生播放紀(jì)念人工合成結(jié)晶牛胰島素50周年紀(jì)錄短片，了解我國科學(xué)家付出的努力及其價(jià)值。

至此，學(xué)生夯實(shí)了氨基酸合成蛋白質(zhì)過程的知識(shí)，厘清了牛胰島素合成的思路，感悟科學(xué)家吃苦耐勞、團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，增強(qiáng)了民族自信。

3. 用基因工程技術(shù)合成人胰島素

臨床研究發(fā)現(xiàn)，人類使用動(dòng)物胰島素會(huì)出現(xiàn)排異現(xiàn)象。為什么？學(xué)生對此提出假說：可能牛胰島素與人胰島素氨基酸序列存在差異，導(dǎo)致空間結(jié)構(gòu)存在差異，使牛胰島素進(jìn)入機(jī)體后類似于抗原，引起機(jī)體的免疫排斥反應(yīng)。如何證明呢？教師再一次推送RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫，讓學(xué)生使用數(shù)據(jù)庫查找并比對牛胰島素（ID：4E7T）和人胰島素（ID：5ENA）的氨基酸序列及空間結(jié)構(gòu)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)牛胰島素和人胰島素存在差異，進(jìn)一步理解使用動(dòng)物胰島素會(huì)出現(xiàn)藥物抵抗現(xiàn)象的原因，認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)人胰島素非常必要。

教師提問：“如何生產(chǎn)人胰島素？”學(xué)生利用平臺(tái)分組討論后，匯報(bào)交流，最終形成兩種方案。

方案1：分別將人胰島素A鏈和B鏈對應(yīng)的基因編碼序列作為目的基因進(jìn)行轉(zhuǎn)基因，分別生產(chǎn)A鏈和B鏈，再通過組裝合成人胰島素。

方案2：將人胰島素原所對應(yīng)的基因編碼序列作為目的基因進(jìn)行轉(zhuǎn)基因，合成胰島素原，后經(jīng)細(xì)胞外酶切獲得胰島素。

教師出示資料：隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，重組人胰島素逐漸取代動(dòng)物胰島素。早期人們重組人胰島素生產(chǎn)，采用A、B鏈分別表達(dá)法。后來該方法被胰島素原表達(dá)法取代，即由大腸桿菌合成胰島素原，然后經(jīng)細(xì)胞外酶切獲得胰島素。教師肯定學(xué)生提出的方案，增強(qiáng)學(xué)生信心。

4. 胰島素類似物的誕生

用基因工程技術(shù)獲得的人胰島素，無法很好地模擬生理胰島素的分泌，存在延遲問題，患者必須在餐前30分鐘注射，一旦忘記，進(jìn)餐可能引起低血糖。

教師提問“為什么會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象”，引導(dǎo)學(xué)生閱讀學(xué)案中與胰島素出現(xiàn)延遲的分子機(jī)制有關(guān)的資料，找到答案：胰島素經(jīng)皮下注射后會(huì)形成六聚體，六聚體的解聚需要時(shí)間，因此注射胰島素發(fā)揮作用會(huì)有所延遲（如圖4）。

如何解決延遲問題？教師引導(dǎo)學(xué)生將關(guān)注點(diǎn)聚焦在胰島素的空間結(jié)構(gòu)上——一個(gè)胰島素B鏈的第28位Pro與另一個(gè)胰島素B鏈23位的Gly之間能夠形成緊密的范德華力，這是胰島素形成六聚體的關(guān)鍵。學(xué)生討論后提出問題：能否通過蛋白質(zhì)工程在不改變胰島素功能的情況下，改變胰島素B鏈的第28位Pro或B鏈23位的Gly，以消除范德華力？對此，教師給予肯定并出示科學(xué)家改造胰島素的相關(guān)資料（如圖5）。

注：圖中灰線顯示的是改造后的胰島素，左右各有一個(gè)胰島素。黑線顯示的是改造前的原始胰島素。圖中虛線表示的是B鏈的第28位Pro與另一個(gè)胰島素B鏈23位的Gly形成范德華力，而改造后的胰島素則不存在這個(gè)作用力。

布置任務(wù)：教師引導(dǎo)學(xué)生思考如何用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改造胰島素，讓學(xué)生使用平臺(tái)的“小黑板”書寫基本流程。通過交流評價(jià)，學(xué)生掌握了蛋白質(zhì)工程基本流程，提升了結(jié)構(gòu)與功能觀，以及生命的信息觀，認(rèn)識(shí)生物技術(shù)的重要價(jià)值。

5. 課堂小結(jié)

教師提問“蛋白質(zhì)功能的多樣性是如何實(shí)現(xiàn)的”，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)，并通過平臺(tái)中的板書功能對概念進(jìn)行梳理。

（四）各環(huán)節(jié)中數(shù)字化資源與技術(shù)的選擇

為更好地進(jìn)行課堂互動(dòng)，教師使用交互性較好的ClassIn平臺(tái)開展教學(xué)，并將有關(guān)資源與技術(shù)貫穿課程始終（見表1）。

二、信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的分析

教師應(yīng)用信息技術(shù)可以更好地創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，實(shí)現(xiàn)深層互動(dòng)（包括人機(jī)互動(dòng)、師生互動(dòng)、生生互動(dòng)），激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新活力，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體作用，更好地實(shí)現(xiàn)因材施教。線上教學(xué)保證了教學(xué)活動(dòng)的順利開展，但是也會(huì)面臨線上教學(xué)課堂學(xué)生參與度低、主動(dòng)性差等問題。為解決這些問題，教師在備課過程中做了大量的嘗試，并取得了很好的效果。

（一）線上平臺(tái)輔助課堂互動(dòng)教學(xué)

課堂互動(dòng)影響信息傳遞效果。教師先后嘗試了很多平臺(tái)，最后選用ClassIn平臺(tái)。該平臺(tái)在互動(dòng)教學(xué)方面具有優(yōu)勢，教師可使用放大攝像頭、分組、板書、測驗(yàn)等功能，開展課前、課中、課后教學(xué)活動(dòng)，提高信息傳遞效率與學(xué)生學(xué)習(xí)效率。教師應(yīng)用互動(dòng)平臺(tái)開展線上教學(xué)，互動(dòng)效果良好。

一是課堂互動(dòng)時(shí)效性強(qiáng)。有效開展線上教學(xué)的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)師生的自由互動(dòng)、實(shí)時(shí)互動(dòng)、規(guī)范互動(dòng)。線上教學(xué)中，在平臺(tái)的輔助下每個(gè)環(huán)節(jié)教師都可以根據(jù)題目難度及特點(diǎn)，選擇學(xué)生回答，學(xué)生也可以主動(dòng)舉手回答。學(xué)生除回答問題外還可以提出問題，表達(dá)困惑。平臺(tái)保障了互動(dòng)時(shí)效性，向用戶第一時(shí)間反饋信息，這有利于學(xué)生有效接收信息、建構(gòu)概念，也有利于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生錯(cuò)誤概念，為糾錯(cuò)提供依據(jù)。

二是課堂互動(dòng)形式多樣。除傳統(tǒng)問答方式互動(dòng)之外，教師還采用線上分組討論等形式互動(dòng)教學(xué)。例如，復(fù)習(xí)氨基酸分子脫水縮合時(shí)，學(xué)生在屏幕上書寫是對在黑板上書寫的高度模擬；探討如何利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)人胰島素時(shí)，由于任務(wù)難度較大，教師組織學(xué)生線上分組討論；在探索如何利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改造胰島素這一環(huán)節(jié)，教師用平臺(tái)“小黑板”收集學(xué)生答案，幫助學(xué)生提高科學(xué)表達(dá)能力。

（二）線上數(shù)據(jù)庫助力學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)庫的選擇方面，教師先后嘗試了多種專業(yè)的在線數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過前期調(diào)研，搜集學(xué)生的反饋信息，發(fā)現(xiàn)用?RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫更為有利：比對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，操作更加容易，蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)效果直觀，容易觀察，并且能夠在蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中快速查找每個(gè)位點(diǎn)的氨基酸。

蛋白質(zhì)的氨基酸序列與空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)容既微觀又抽象，學(xué)生不易理解。如何突破這一教學(xué)難點(diǎn)？教學(xué)中，教師兩次帶領(lǐng)學(xué)生應(yīng)用RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫進(jìn)行探究。

1.直觀認(rèn)識(shí)牛胰島素3D空間結(jié)構(gòu)

多肽鏈?zhǔn)侨绾伪P曲折疊形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)呢？為探究這一問題，教師推送牛胰島素的網(wǎng)址鏈接，讓學(xué)生利用數(shù)據(jù)庫，通過拖曳全方位直觀認(rèn)識(shí)牛胰島素的3D空間結(jié)構(gòu)（如圖6），進(jìn)而理解蛋白質(zhì)有特定的結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)到每種蛋白質(zhì)的特定功能與其相應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)密不可分，在體驗(yàn)過程中建立結(jié)構(gòu)功能觀。

2.比對牛胰島素和人胰島素的氨基酸序列及空間結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證牛胰島素和人胰島素存在差異，教師推送數(shù)據(jù)庫鏈接，引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)據(jù)庫查找并比對牛胰島素（ID：4E7T）和人胰島素（ID：5ENA）的氨基酸序列及空間結(jié)構(gòu)（如圖7）。

師生應(yīng)用RCSB pdb數(shù)據(jù)庫，不僅可以比對兩種蛋白質(zhì)氨基酸序列的異同，而且可以直觀全方位觀察蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)。通過比對，學(xué)生發(fā)現(xiàn)牛胰島素和人胰島素存在3個(gè)氨基酸的差異，并且這些差異均導(dǎo)致二者空間結(jié)構(gòu)的不同。由此，學(xué)生深刻體會(huì)蛋白質(zhì)分子中氨基酸種類及其排列順序?qū)ζ淇臻g結(jié)構(gòu)的影響，深入理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因，進(jìn)一步建立結(jié)構(gòu)與功能觀。學(xué)生通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)得出對比結(jié)果，有利于他們理解使用動(dòng)物胰島素會(huì)出現(xiàn)藥物抵抗現(xiàn)象的原因，有利于他們認(rèn)識(shí)生產(chǎn)人胰島素的意義。

學(xué)生通過應(yīng)用RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫，參與科學(xué)研究的重要環(huán)節(jié)，直觀體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，對于深入理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性形成的原因、建構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能觀具有重要作用，同時(shí)對訓(xùn)練科學(xué)思維具有重要價(jià)值。學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫有利于日后學(xué)習(xí)與探索，為他們尋找證據(jù)搭建階梯，受用終身。此外，師生與時(shí)俱進(jìn)應(yīng)用在線數(shù)據(jù)庫，發(fā)揮了一般課堂無法替代的價(jià)值，促進(jìn)了信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，也體現(xiàn)了生物學(xué)學(xué)科特色。

三、總結(jié)

學(xué)生建構(gòu)正確的生命觀念有助于他們理解較大范圍的生物學(xué)事件和生命現(xiàn)象，在面對生活的問題和挑戰(zhàn)時(shí)具有更好的解釋力和決策能力。學(xué)生在新授課學(xué)習(xí)中已初步構(gòu)建生命觀念。對于本節(jié)復(fù)習(xí)課的教學(xué)，教師從真實(shí)情境出發(fā)，充分利用信息技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀和生命的信息觀解決實(shí)際問題，提升生命觀念。例如，教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫對比牛胰島素和人胰島素的異同，直觀感受并認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)差異與功能的關(guān)系；利用平臺(tái)交互功能反饋學(xué)生運(yùn)用基因工程技術(shù)、蛋白質(zhì)工程技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)人胰島素、改造胰島素的方案，都需要學(xué)生在認(rèn)同結(jié)構(gòu)與功能觀的基礎(chǔ)上，運(yùn)用生命的信息觀解決實(shí)際問題。

信息技術(shù)與課堂教學(xué)融合是信息時(shí)代教學(xué)改革的需要，是數(shù)字化時(shí)代人才培養(yǎng)的需要，是提高課堂教學(xué)效率的重要途徑。不論是線上教學(xué)還是線下教學(xué)，信息技術(shù)已經(jīng)潛移默化逐漸走進(jìn)課堂，融入課堂。在未來的大多數(shù)課堂中，數(shù)字化教學(xué)將是不可或缺的構(gòu)件。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人教數(shù)字教育研究院2022年重點(diǎn)課題“基于數(shù)字資源與技術(shù)的生物學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：?RJA0222002）的階段性成果。

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（作者劉偉華、何彬、楊恬然系北京景山學(xué)校教師；李霞系北京市東城區(qū)教育科學(xué)研究院教研員）

責(zé)任編輯：祝元志