落實生物學核心素養的教學設計
——以“蛋白質是生命活動的主要承擔者”為例

蔣贇婷 徐丹丹 韓 菲*

（1.安徽師范大學生物教育研究中心 安徽蕪湖 241000）

（2.安徽師范大學附屬中學 安徽蕪湖 241000）

1 教材分析

“蛋白質是生命活動的主要承擔者”是人教版新教科書《必修1·分子與細胞》中的第二章“組成細胞的分子”第四節。此內容涉及《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）中的“細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”大概念。《課程標準》中要求學生能夠闡明蛋白質通常由21種氨基酸分子組成，它的功能取決于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。本節課從知識的體系看，起著承上啟下的作用，承接本章第一節中“細胞內含量最多的有機化合物是蛋白質”，啟示后續學習酶、抗體、激素和中心法則等知識。從內容設置上看，本節課由蛋白質的功能、蛋白質的基本組成單位——氨基酸、蛋白質的結構及其多樣性這三部分組成。另外，教科書通過問題探討、本節聚焦、思考討論、與社會的聯系以及生物科學史話等欄目結合圖文串聯教科書內容，符合學生認知和思維的發展規律。在教學中，教師要結合學生生活實際，通過模擬實驗、引擎搜索、演示實驗以及思維導圖的梳理，使學生深入理解結構與功能觀，從而感知生命觀念，體驗探究的樂趣，培養科學思維及社會責任。

2 學情分析

學生已經了解甲烷、乙酸、氨氣等物質，理解蛋白質是細胞內含量最多的有機化合物、有關食物中蛋白質消化吸收的內容。通過對前面“細胞中的元素和化合物”“細胞中的無機物”“細胞中的糖類和脂質”這幾節的學習，學生的思維方式開始由形象思維能力為主向抽象思維能力為主轉化。通過“細胞中的元素和化合物”中檢測生物組織中的蛋白質實驗，學生已經掌握用化學顯色劑來檢驗特定物質。通過第一章“走進細胞”的學習，學生已經形成一定的社會責任意識，如保護生態、保護環境。

但是，學生還沒有掌握以下知識：氨基酸是蛋白質的基本組成單位；氨基酸的分子結構；蛋白質種類多樣的原因；蛋白質的結構與功能相適應。學生還不能用結構與功能觀認識蛋白質的多樣性，形成科學的自然觀和世界觀，并以此指導探究生命活動規律，解決實際問題；也不能運用模型與建模的思維方式闡釋蛋白質多樣性的原因。學生需要認同蛋白質與人體營養、健康等密切相關，認同健康的生活方式。

3 教學目標

①通過討論蛋白質類型，思考糖尿病的治療措施，認同蛋白質對生命的重要性，能夠崇尚健康文明的生活方式，成為健康中國的促進者和實踐者。

②利用“拼裝氨基酸結構分子模型”和“回形針”模擬實驗，通過模型與建構的思維方式，建立結構與功能相適應的生命觀念。

③利用網絡引擎搜索“protein structure”，獲取蛋白質結構的信息，篩選、總結歸納有關蛋白質四級結構的信息，基于事實和證據闡釋蛋白質多樣性的原因。

④通過設計“檢測蛋白和蛋清中的肽鍵”實驗，應用科學探究的基本思路和方法，深入學習蛋白質的結構以及蛋白質變性的本質。

⑤通過融入“世界第一個人工合成蛋白質的誕生”科學史，認同探究是一個不斷發展的過程，同時認識到科學家勇于探索、堅持不懈的科學精神。

4 教學重點、難點

教學重點：蛋白質的功能和結構；氨基酸的結構特點及其形成蛋白質的過程。

教學難點：氨基酸形成蛋白質的過程；蛋白質的結構和功能多樣性的原因。

5 教學過程

5.1 真實情境，激趣導入

教師播放關于“糖尿病”的視頻，提出問題：糖尿病的類型有哪些？胰島素的作用機制是什么？結合生活實際想一想，蛋白質與人類的生命活動還有哪些聯系？這樣引出本節的學習內容“蛋白質是生命活動的主要承擔者”。

設計意圖：教師利用“糖尿病”社會的熱點問題導入新課，激發學生的學習興趣。糖尿病是生活中較為常見的疾病，學生對其有一些基本的認知，知道胰島素是能夠治療糖尿病的藥物。這樣的導入能夠讓學生關注“如何治療糖尿病”這個社會議題，促進學生參與討論并作出理性解釋，從而認同健康文明的生活方式，成為健康中國的促進者和實踐者。并且，目前國內外的考試評價都趨向于考查學生在真實情境下的應用能力，教師借此機會可以幫助學生深度理解胰島素的作用機制以及糖尿病的類型，拓寬學生的視野。

5.2 蛋白質的基本組成單位——氨基酸

教師出示“手術過程中使用的縫合線”圖片，展示資料，引導學生思考：手術縫合線是從某些動物組織中提取的膠原蛋白制作而成的。為什么這種縫合線可以被人體組織吸收？它能被人體組織直接吸收嗎？若不能，那這種縫合線是發生什么化學變化才能被吸收？

作為手術縫合線的膠原蛋白之所以能被人體組織吸收，是因為膠原蛋白能被分解為可以被人體吸收的氨基酸。由此，教師引出“氨基酸是組成蛋白質的基本單位”。

接著，教師結合“思考討論”欄目，引導學生觀察4種氨基酸的結構，總結這些結構的共同特點，尋找“氨基酸”這一名詞與其分子結構的對應關系。

然后，教師介紹氨基酸分子模型指出代表氨基、羧基、R基和H的部分。學生結合剛剛的觀察和討論，兩人一組，試著裝出甘氨酸和丙氨酸的分子模型。學生組裝后的作品如圖1和圖2所示。組裝完成后，學生嘗試畫出氨基酸分子結構通式。

圖1 學生作品甘氨酸分子模型

圖2 學生作品丙氨酸分子模型

設計意圖：學生對比4種氨基酸的結構，找出異同點；并通過組裝甘氨酸和丙氨酸的分子模型，深刻理解氨基酸的分子結構；并以此模型構建氨基酸分子結構通式，畫出結構通式，發展科學思維。

5.3 蛋白質的結構及其多樣性

教師出示資料，引發學生產生認知沖突：在人體中，組成蛋白質的氨基酸只有21種；而人體中的蛋白質多達10萬種以上。為什么氨基酸的種類如此有限，卻構成了種類繁多、功能多樣的蛋白質呢？

接著，教師組織學生開展“回形針”模擬實驗。教師結合動畫，講解氨基酸脫水縮合的過程。學生用不同顏色的回形針模擬氨基酸脫水縮合形成肽鏈，體會由于氨基酸的種類和排列順序的不同可以脫水縮合成種類繁多的肽鏈。

教師介紹“雅虎”搜索引擎，并現場輸入“protein structure”得到英文圖片資料（圖3），引導學生翻譯英文資料，得到有關蛋白質四級結構的知識。

圖3 網絡搜索“蛋白質的四級結構”截圖

設計意圖：結合動畫講解脫水縮合的過程更直觀，學生更易理解。另外，學生用不同顏色的回形針模擬脫水縮合形成肽鏈，構建肽鏈形成的模型，培養了模型與建構的科學思維。教師介紹搜索引擎的使用，教會學生查找、篩選、總結歸納信息，提升學生收集信息、解決問題的能力。學生翻譯英文資料，一方面滿足不同學生的學習需求，增加學習的趣味性；另一方面引導學生關注生物學前沿，能夠基于搜索到的“蛋白質四級結構圖”，運用模型來闡述蛋白質種類以及功能多樣的原因，從而發展了學生的科學思維。

教師介紹蛋白質變性的含義和原因，結合“蛋白質鑒定實驗”，引導學生設計實驗以檢驗蛋白質變性的本質是蛋白質的空間結構改變而肽鍵沒有斷裂。

設計意圖：在前面“蛋白質鑒定”實驗中，學生已經清楚實驗原理是Cu2+與肽鍵在堿性條件下形成紫色絡合物。學生通過設計檢驗蛋白質變性本質是蛋白質的空間結構改變而不是肽鍵斷裂的實驗，能夠發現現實世界中的生物學問題，并且能夠進行提問、實驗設計、方案實施以及對結果進行交流與討論。另外，學生在探究的過程中，能夠增強對自然現象的好奇心和求知欲，培養創新精神，進而提升科學探究的能力。

5.4 蛋白質的結構與功能相適應

教師展示蛋白質功能舉例的圖片，引導學生思考：正是由于不同種類氨基酸的排列順序千變萬化，肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結構千差萬別，才造就了蛋白質分子結構的多樣性。那么，蛋白質在人的生命活動中都有哪些功能呢？

教師出示人正常血紅蛋白的空間結構和鐮狀紅細胞的圖片，提出問題：每一種蛋白質分子都有與它所承擔功能相適應的獨特結構。如果氨基酸序列改變或蛋白質的空間結構改變，會不會影響功能呢？

設計意圖：教師深入挖掘教材，促進學生樹立蛋白質的功能與結構相適應的生命觀念，使其認識到每一種蛋白質分子都有與它所承擔功能相適應的獨特結構，如果氨基酸序列改變或蛋白質的空間結構改變，會影響它的功能。

5.5 世界上第一個人工合成蛋白質

教師展示我國結晶牛胰島素合成的資料，結合科學史講解世界第一個人工合成蛋白質的過程，使學生了解我國在蛋白質合成方面的巨大成就，學習科學家勇于探索、堅持不懈的科學精神。

5.6 利用思維導圖，深化科學思維

教師在教學過程中，用思維導圖的形式呈現板書內容（圖4）。在講授完新課后，讓學生以思維導圖的形式總結“蛋白質是生命活動的主要承擔者”這一節的科學概念。

圖4 思維導圖及板書設計

設計意圖：通過對思維導圖的梳理，學生對蛋白質的結構與功能有了更深刻的認識，并且充分發展了歸納與概括的能力，從而培養了科學思維。

6 教學反思

本教學設計將核心素養中的生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任融入到“蛋白質是生命活動的主要承擔者”這一節課程內容中（圖5）。教師結合學生生活實際，通過模擬實驗、網絡引擎搜索、演示實驗以及思維導圖的梳理，讓學生深入理解結構與功能觀，從而讓學生感知生命觀念，并且在這個過程中體驗探究的樂趣，培養學生的科學思維及社會責任。

圖5 蛋白質的結構與課堂教學融入核心素養的路徑圖（改編自荊林海圖）

教師列舉貼合學生實際的科學例子，更容易激起學生的共鳴，提高學生的課堂參與度。實施適當的動手操作有助于提升學生的學習積極性，讓抽象的知識變得直觀和具體，使科學概念的學習落實更到位。另外，“授之以魚不如授之以漁”，教師要注意教會學生檢索信息的方法，提升學生收集信息的能力。在教授新課的過程中，教師以思維導圖的形式展示板書，為學生搭建了知識網絡，促進學生更好地吸收所學知識。學生在課后梳理了思維導圖，發展了歸納概括能力。思維導圖有助于促進思維發展的多向性、綜合性和跳躍性，它賦予思維以最大的開放性和靈活性，有利于培養學生的聯想思維、類比思維、形象思維、靈感思維、辨證思維及創造思維，有利于提高思維的連續性、深刻性、批判性等思維品質。試想若今后在進行板書設計時，把對應的科學知識經過加工處理設計成思維導圖的形式展示給學生，讓學生借助教師的點撥進行梳理和領悟，更能有效地達成教學目標，發展學生的科學素養。