基于“氨基酸及多肽學具”的蛋白質教學探究*

李 鵬 羅 明

（江蘇省蘇州第一中學校江蘇蘇州215006）

學具是能夠幫助學生學習的一些模型、實物、圖表的總稱，具有直觀性的優勢，是學生對抽象概念和理論的理解建立感性和具象的基礎。它與教具最關鍵的區別在于：學具是從學生使用的角度出發設計并由學生親自動手操作的用具。通過學具構建模型，在“做中學，學中做”中突破學習重點與難點。本文以“生命活動的主要承擔者——蛋白質”一節的教學過程為例，對如何利用學具輔助生物學教學進行初步探究。

1 教材編排分析

本節是人教版普通高中生物學必修1《分子與細胞》第2章第2節的內容，與后續將要學習的必修1中的酶、載體、糖蛋白，必修2中基因的表達及必修3中的抗體等知識密切相關，學習蛋白質的結構是理解其功能多樣性的基礎，有助于建立結構與功能相適應的觀點。

2 學情分析

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

3 教學目標

1）知識目標:①說明氨基酸的結構特點，以及氨基酸形成蛋白質的過程;②概述蛋白質的結構和功能，以及蛋白質多樣性的原因。

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

3）情感態度與價值觀目標:①通過分組構建模型，學生認識到學科間交叉滲透的重要性，培養團隊合作精神；②認同蛋白質是生命活動的主要承擔者，樹立結構與功能具有統一性的基本生物學觀點。

4 教學重、難點

1）教學重點：①氨基酸的結構特點，以及氨基酸形成蛋白質的過程；②蛋白質的結構和功能。

2）教學難點：①氨基酸形成蛋白質的過程；②蛋白質的結構多樣性的原因。

5 教學策略

本節課以“生活導入—問題探討—構建模型—對比觀察—總結規律”的路線，通過分組合作,利用學具從蛋白質的元素組成—基本單位—化學連接—空間結構4個層次開展建模教學,利用Starc電子交互式雙板及實物展臺,即時呈現學生的實踐成果,在操作、體驗、合作、分享中突破教學重、難點。

6 課前準備

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”等標識區分20種R基。

圖1 氨基酸組件

圖2 尼龍連接栓插

7 教學過程

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

學生在生活經驗的基礎上回答，明確蛋白質是構成生物體和參與生命活動的基本物質。

7.2 氨基酸是蛋白質的基本單位教師提問：蛋白質是怎樣被人體吸收的?

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

設計意圖：基于常識設置問題，引導學生初步理解氨基酸是蛋白質的基本單位。

7.3 構建氨基酸的分子模型教師分發學具并說明。

學生活動1：結合教材及學具說明說出各組件所代表的原子；利用組件分別構建氨基酸的主要基團，并通過實物展臺即時呈現學生的構建進程。

設計意圖：引導學生從教材文字、圖示獲取信息，了解構成氨基酸的化學元素和基團。

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

設計意圖：引導學生由氨基酸結構通式了解各化學基團與中心碳原子的關系。中心碳原子組件設計為4個單鍵，羧基碳原子組件設計為2個單鍵和1個雙鍵，學生會因為未觀察到上述差異而導致構建失敗，由此為學生試錯提供了可能，從而使學生對氨基酸的結構有更為深入的理解，并為后續學習脫水縮合及肽鍵等知識打下基礎。

7.4 氨基酸的平面結構教學教師將3種氨基酸的分子式發送至每組電子白板上，布置如下任務和問題:在屏幕上圈出3種氨基酸的共同結構，并提問：上述3個氨基酸的結構區別在哪里?給出谷氨酸和賴氨酸的分子式，要求學生用紅筆圈出2種氨基酸的R基并分別數一數2種氨基酸中的氨基數和羧基數。

學生活動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。

教師引導學生總結氨基酸的結構特點，寫出氨基酸的結構通式。

結構特點：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。

學生活動2：習題鞏固，落實基礎。

設計意圖：通過構建氨基酸分子模型，引導學生由教材圖像模型構建物理模型，進而向概念模型轉換，從不同途徑和多個角度加深對氨基酸結構的理解，促進學生高階思維，回歸課程目標。

7.5 構建二肽、三肽及多肽分子模型教師指導學生閱讀教材，學習氨基酸形成蛋白質的結構層次，引導學生思考2個氨基酸之間的連接方式。

學生活動1：討論、發言，了解“脫水縮合”“二肽”“多肽”“肽鏈”等概念。

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

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，引導學生總結脫水縮合規律。

圖3 多肽模型

設計意圖：學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、肽鍵數、脫去水分子數、肽鏈條數之間的關系是什么？肽鍵的化學結構是怎樣的？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？建構主義知識觀認為，學生不是知識的接受者,而是知識的自主建構者。學生根據已有概念經驗進行聯想推測,利用學具模擬構建呈現自己對脫水縮合過程的理解和重構，從而實現概念模型向物理模型的轉換，也反饋促進了對概念和知識的理解，同時也為構建、抽象出氨基酸脫水縮合的數學模型，即肽鏈中氨基酸數、肽鍵數和脫去的水分子數相關計算等打下基礎。

7.6 蛋白質結構多樣性和特異性的教學教師引導學生觀察、比較相鄰小組構建的多肽模型。

學生活動：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、數目和排序是否相同？20種氨基酸是否能夠構成1012種蛋白質？小組經討論后派代表發言。

教師小結多肽及蛋白質多樣性的原因：氨基酸的數目、種類、排序，以及肽鏈的空間結構千差萬別導致了蛋白質結構多樣性。

設計意圖：讓學生通過思考、交流、合作,設計完成任務的方案,構建小組學習共同體。學生構建的多肽模型并不都是線性的平面結構，可能會由于氨基酸組件之間的連接角度不同而呈現多樣、彎曲的立體結構；此外在推算1條多肽中的肽鍵數時，大部分學生會得出（n-1）個的結論，但有的學生突發靈感，將多肽模型首尾的氨基和羧基進行脫水縮合，形成1條環狀多肽，從而得出不同的結論。學具提供了學生思維和實踐的新平臺，創設沖突情境,引發思想碰撞，刺激個體反省，開拓了更廣闊的思維空間；引導學生在觀察中比較，在思考中歸納，實現了對知識的理解，從外化和感性的學具轉變為學生的主體思維和概念。

7.7 多肽水解的延伸教學教師指導學生將多肽模型水解為氨基酸。

學生將多肽模型拆解為單個氨基酸組件，理解蛋白質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的關系，以及肽鏈合成時脫去的水分子數、多肽水解所需的水分子數、肽鍵數的關系。

設計意圖：充分利用學具，使盲目地將多肽模型拆散回學具組件的過程轉變為有目標的延伸性學習過程。模型的拆分過程也是一種逆向的模型構建過程，可加深學生對本節核心概念的理解，提升思維的靈活性和延展性，同時也促進學生熟練掌握并應用知識原理完成目標的達成，真正建立了學具和學習者認知結構中抽象概念的實質性聯系。

7.8 蛋白質功能多樣性的教學教師展示相關圖像與資料，結合學生的課前預習，請學生聯系生活實際敘說蛋白質的功能。教師及時捕捉學生回答中體現蛋白質功能的關鍵詞，讓學生把握重點，加深記憶。強調“蛋白質結構與功能相適應”的觀點，回歸主題“生命活動的主要承擔者——蛋白質”。

7.9 效果評價，課堂總結教師小結：本節課學習了氨基酸的結構,組成蛋白質的氨基酸共有20種，區別在R基上,氨基酸經過脫水縮合形成多肽，多肽經過盤繞折疊形成具有一定空間結構的蛋白質，蛋白質結構多樣性決定了功能的多樣性。

學生進行針對性練習，利用學具輔助理解問題，并自我評價學習效果。

設計意圖：運用重要概念引領，小結本課主要內容，強化知識運用和遷移能力，對學生的學習效果進行判斷、評價。

8 教學反思

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

2）本節課在氨基酸的結構、脫水縮合、蛋白質的多樣性和特異性、多肽的水解4個環節使用了學具，通過構建活動串聯教學內容，依據學生的最近發展區設置梯度任務，完成課程目標。教學設計引入自然、過渡流暢、層層推進、重點突出。

3）在分小組構建模型的過程中，組員如何分工？是否全部參與到模型構建過程中？模型構建過程是否高效？教師在一節課的時間內還無法做到全面兼顧，也會因學生對學具的熟悉度不夠、經歷的模型構建較少、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效果受到一定影響，有待今后進一步研究。

［1］羅明.核酸學具模型開發與應用的研究及思考.生物學通報,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.