核心素養下高中生物模型探究教學的實踐與研究

夏瑞祥

[摘 要]以球棍模型串起“蛋白質的結構和功能”整節課，采用小組合作探究的學習方法，利用學習任務單層層推進，旨在提高學生建構模型、科學探究的能力，讓學生通過沉浸式體驗和直觀觀察，充分理解并掌握這一課時的知識內容。

[關鍵詞]核心素養;模型探究;球棍模型

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2020）29-0088-03

生物學學科核心素養是學生在解決真實情境中的實際問題時所表現出來的價值觀念、必備品格與關鍵能力。學習是一種積極的過程，學習者在該過程中依靠自己現在和過去的知識建構新的思想和概念。就教學而言，教師應鼓勵學生自己去探索原理。教師的任務是將學習信息轉換為適合學生目前理解狀態的格式[1]。

所謂“模型”就是模擬所要研究事物原型的結構形態或運動形態，是事物原型的某個表征和體現，同時又是事物原型的抽象和概括[2]。概念模型，如遺傳的分子基礎概念圖，可以幫助學生理解基因、RNA和蛋白質間遺傳信息傳遞的過程;物理模型，如制作ATP結構模型，可以幫助學生理解ATP、ADP以及AMP在結構上的聯系與區別;數學模型，如利用數學歸納法計算雜合子連續自交n代后雜合子、純合子的比例，可以幫助學生理解連續自交提高純合子比例的原理。教師不僅不能忽視生物模型的教學，還要深入挖掘生物模型對學生學習新知識、提高生物科學素養的輔助作用[3]。

球棍模型是一種空間填充模型，用來表現化學分子的三維空間分布。合理利用球棍模型能幫助學生認識和理解分子的立體結構，結合模型建構、合作探究還能幫助學生理解化學反應的過程，為學生更好地理解“蛋白質的結構和功能”等生物學知識提供便利。

一、理論依據

1. 科學思維：模型與建模

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中指出：學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據運用……模型與建模……等方法，探討、闡述生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。

生物模型的構建需要學生的主動思考和積極參與，它能夠幫助學生有效地梳理知識點間的關系，構建出知識框架[4]。

2. 課程標準教學建議：注意學科間的聯系

建構球棍模型在化學教學中應用較廣，是高中化學的重要學習方法，生物課堂中以球棍模型開展教學未見相關研究。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出：自然界是一個統一的整體，自然科學中的物理學、化學、生物學等各門學科，其思想方法、基本原理、研究內容有著密切的聯系。加強學科間的橫向聯系，有利于學生理解科學的本質、科學的思想方法和跨學科的科學概念和過程，有利于學生建立科學的生命觀，逐步形成正確的世界觀，發展生物學學科核心素養。

3.科學探究

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》對蘇教版教材第二章第二節《細胞中的生物大分子》的“蛋白質的結構和功能”的內容要求是“闡明蛋白質通常由20種氨基酸分子組成，它的功能取決于由氨基酸序列及其形成的空間結構，細胞的功能主要由蛋白質完成”。要讓學生充分理解并掌握這部分內容有一定的難度，所以在教學實踐中，教師可以考慮采用小組合作探究的方式組織教學。“組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養的關鍵”“學生應在探究過程中，逐步增強對自然現象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力;在探究中，樂于并善于與團隊合作，勇于創新”。

二、教學思路

“蛋白質的結構和功能”一課利用球棍模型進行展示的同時，采用小組合作探究、任務驅動等教學模式，使學生從認識氨基、羧基的球棍模型開始，認識氨基酸的結構，再通過組內模擬脫水縮合，層層推進，理解肽鍵結構與肽鍵數、脫去的水分子數、氨基酸數以及肽鏈條數的關系，掌握蛋白質相對分子質量的計算方法;通過組間建構的多肽鏈理解蛋白質結構的多樣性，為理解蛋白質功能的多樣性奠定基礎，并在此基礎上培養“結構與功能觀”：結構決定功能，功能與結構相適應。

課前將班級48人分成8組，每組6人，每組所需球、棍材料分發到位，每組根據預先設計配置不同的表示R基的小球。課堂利用球棍模型，以6個活動遞進式組織教學，主體教學思路如圖1所示。

三、 教學實施

組內活動1：建構氨基、羧基球棍模型（如圖2）

由于在學習本節內容時，高中有機化學的內容尚未學習，學生缺乏相應的知識基礎，故有必要讓他們先認識一下不同顏色小球所代表的原子以及單鍵、雙鍵等。每組6位學生，每兩位學生建構一個氨基和一個羧基，通過觀察，強調完整的氨基和羧基一定要有與其他部分相連的化學鍵。

設計意圖：認識不同顏色小球所代表的原子;區分單鍵、雙鍵;認識氨基、羧基的結構，為學習氨基酸做好準備。

組內活動2：建構氨基酸球棍模型

組內每兩位學生在活動1中已建構氨基和羧基，在此基礎上，根據課本中氨基酸的結構通式合作建構一個氨基酸（其結構如圖3所示）。

通過觀察小組內建構好的3個氨基酸，得出氨基酸的種類取決于可變的側鏈基團R基;通過對球棍模型結構的觀察，得出構成蛋白質的氨基酸的特點：至少含有1個氨基和1個羧基且連接在同1個碳原子上，也可以通過觀察得出氨基酸的元素組成，從而得出蛋白質的元素組成。

設計意圖：認識氨基酸結構;明確氨基酸種類的取決位置;觀察得出構成蛋白質的氨基酸的特點;了解氨基酸、蛋白質的元素組成。

組內活動3：模擬脫水縮合，建構二肽

氨基酸之間如何連接形成一條肽鏈是理解氨基酸形成蛋白質過程的重要環節。學生通過組內合作，利用已經建構的2個氨基酸，并根據課本中的示意圖（如圖4）嘗試模擬脫水縮合的過程。

通過過程回顧，得出脫去的水分子中氧原子、氫原子的來源，直觀且令人印象深刻，羧基提供一個氧原子，氨基和羧基各提供一個氫原子。

肽鍵結構的認識也很關鍵，除了強調兩側的化學鍵以外，通過旋轉球棍模型，得出肽鍵的若干種書寫方法，但是旋轉并未改變原子間的連接方式，進一步通過錯誤的書寫鞏固這個知識點。

設計意圖：理解脫水縮合的過程;明確脫去的水分子中氫、氧原子的來源;掌握肽鍵的結構式特征及書寫。

組內活動4：模擬脫水縮合，在活動3的基礎上建構三肽

在二肽的基礎上，利用組內的另一個氨基酸繼續脫水縮合形成三肽，得出多肽和肽鏈的概念;回顧整個過程，得出一條肽鏈中脫去的水分子數、肽鍵數、氨基酸數的關系：肽鍵數 = 脫去的水分子數 = 氨基酸數-1;觀察三肽的結構，思考一條肽鏈中至少含有游離的氨基和羧基的數量，并結合R基，理解“至少”的含義，并得出蛋白質中至少含有的游離的氨基和羧基的數量。

設計意圖：認識多肽和肽鏈;厘清一條肽鏈中肽鍵數、脫去的水分子數、氨基酸數的關系;理解蛋白質至少含有的游離的氨基、羧基數等于肽鏈條數。

組間活動1：以2、4、6、8組為單位，探究肽鍵數、脫去的水分子數、氨基酸數以及肽鏈條數的關系

2組為單位：共有6個氨基酸，形成2條肽鏈，脫去4個分子水，形成4個肽鍵。

4組為單位：共有12個氨基酸，形成4條肽鏈，脫去8個分子水，形成8個肽鍵。

6組為單位：共有18個氨基酸，形成6條肽鏈，脫去12個分子水，形成12個肽鍵。

8組為單位：共有24個氨基酸，形成8條肽鏈，脫去16個分子水，形成16個肽鍵。

通過以上分析，學生不難得出等式：肽鍵數 = 脫去的水分子數 = 氨基酸數-肽鏈條數。

同時引導學生思考：已知氨基酸的個數、氨基酸的平均分子量和脫去的水分子數，如何計算蛋白質的分子量？是不是直接用氨基酸的平均分子量×氨基酸的個數？由于前面的活動，學生已知該過程會脫去水分子，不難得出公式：蛋白質的分子量 = 氨基酸的平均分子量×氨基酸的個數-脫去的水分子數×18。

設計意圖：采用數學歸納法，探究得出肽鍵數、脫去的水分子數、氨基酸數以及肽鏈條數的關系;掌握蛋白質相對分子質量的計算。

組間活動2：小組間合作，建構六肽

通過第1組知第5組、第3組和第7組、第4組和第8組的比較得出：氨基酸種類不同，形成的肽鏈存在差異;通過第2組和第6組形成的六肽與第1組比較得出：氨基酸數目不同，形成的肽鏈存在差異;通過第3組、第7組以及第4組、第8組形成的六肽比較得出：氨基酸的排列順序不同，形成的肽鏈也存在差異;根據第3、4;7、8組形成的兩個六肽構成的蛋白質和單獨的一條形成的蛋白質相比較得出：肽鏈條數不同，蛋白質也存在差異。

再結合肽鏈的盤曲折疊得出蛋白質結構多樣性的原因：氨基酸的種類、數目、排列順序以及多肽鏈的條數和空間結構的不同。

設計意圖：闡明蛋白質結構多樣性的原因，為解釋蛋白質功能多樣性做準備。

四、教學反思

本節課充分體現了新課程標準中關于培養學生科學思維能力、提高學生科學探究能力的要求，并結合了“注重學科間的聯系”這一建議，引導學生小組合作探究模型建構，并在教師的指導和學習任務單的指引下自主探究，提高了實踐能力，激發了生物學科學習興趣，充分體現了學生的課堂主體地位。直觀的球棍模型，讓學生充分體會和領悟到生物學的本質與規律，加深學生對氨基酸相關知識以及蛋白質結構的理解。

模型建構、跨學科教學、小組合作、探究學習都不只是生物教學中追求的一種簡單形式，這些都應是發展學生生物學學科核心素養的“工具”。模型建構，可化抽象為直觀，便于闡釋生命現象和規律，在建構模型的過程中發展科學思維;跨學科教學，從另一視角，采用新的方法策略學習生物課程，有利于學生理解跨學科的概念和過程，便于學生形成唯物主義、科學的生命觀念;小組合作、探究學習相關形式的設置，必須有實質性內容，要做到“真合作”“真探究”，教師的適度放手，最大限度地發揮了學生的自主性，逐步提高了學生的科學探究能力。

在模型探究教學實踐中，只有選擇好“工具”，巧妙設計，有機融合，才能更好地發展學生的生物學學科核心素養。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 高文，徐斌艷， 吳剛.建構主義教育研究[M].北京：教育科學出版社，2008.

[2]? 汪忠.普通高中課程標準實驗教科書·生物必修1：分子與細胞[M].南京：鳳凰出版傳媒集團，2011.

[3]? 陳敏.從能量流動模型看高中生物模型教學中的誤區[J].中學生物學，2017（11）：8-10.

[4]? 官仕坤.對高中生物模型教學的幾點思考[J].中學生物教學， 2018（4）：37-38.

（責任編輯 黃春香）