5E 教學模式視角下的高中生物學建模教學
——以“蛋白質是生命活動的主要承擔者”教學為例

周月梅

（龍海第一中學，福建 龍海 363102）

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》明確指出“模型與建模”是重要的科學思維方法，要求學生學會運用“模型與建模”探討、闡釋生命現象及其規律，解決真實情境中有關生物學問題，提升科學思維能力，發展生物學學科核心素養。［1］5E 教學模式是基于社會建構主義理論的一種探究學習模式，一般由吸引、探究、解釋、遷移及評價等5 個環節組成，有助于學生構建科學概念及概念體系，促進學生主動參與科學探究及實踐活動，發展演繹、歸納、概括、建模、批判性思維及創造性思維等科學思維能力。［2］根據5E 教學模式及其教學要求，筆者嘗試在高中生物學教學中開展建模教學實踐與研究，現以2019 年版人教社《生物學·必修1·分子與細胞》第2 章第4 節“蛋白質是生命活動的主要承擔者”教學為例，探索5E 教學與建模教學有機結合路徑。

一、創設“吸引”學生學習的問題情境

“吸引”是5E 教學模式的關鍵環節，要求教師創設問題情境，激發學生的學習興趣及探究欲望，為“探究”環節奠定學習基礎。

“蛋白質是生命活動的主要承擔者”這節課的導入環節，首先，創設問題情境“為什么《中國居民膳食指南（2016 年版）》推薦每天都要吃一顆雞蛋？你知道雞蛋蛋白質進入人體消化道后經歷了哪些變化？蛋白質是以何種形式進入人體細胞內的？”指導學生觀察消化系統示意圖及消化腺示意圖，復習有關蛋白質消化等知識，了解攝入的雞蛋蛋白質進入消化道后，經過胃蛋白酶、小腸中胰蛋白酶、胰肽酶等多種酶的作用，形成蛋白質的基本單位氨基酸后才能被人體細胞吸收。進一步創設問題情境“蛋白質具有哪些功能？為何說蛋白質是生命活動的主要承擔者？”引導學生開始本節有關蛋白質結構與功能知識的學習。

根據5E 教學模式“吸引”環節的教學要求，創設與現實生活密切相關的問題情境，引導學生利用有關蛋白質消化等知識，初步建立“氨基酸是蛋白質的基本單位”的認識，激發學生產生探究“蛋白質結構與功能”的好奇心及興趣。

二、應用模型開展建模“探究”

“探究”是5E 教學模式的主體環節，根據教學目標引導學生進行探究，要求學生觀察現象，識別變量，透過現象總結生物學本質規律。

首先，創設問題情境：為什么蛋白質的基本單位叫氨基酸，其結構有何特點？人體從雞蛋中獲取的氨基酸又是如何在細胞內合成功能如此多樣的蛋白質？接著，組織學生圍繞氨基酸的結構、多肽合成過程及蛋白質結構的多樣性等開展小組合作建模探究活動。

（一）建構氨基酸結構模型

教師展示球棍模型，并簡要解釋其使用方法，要求學生嘗試建構水（H2O）、氨氣（NH3）、甲烷（CH4）等球棍模型。再引導學生類比構建氨基（-NH2）、羧基（-COOH）等化學基團模型，并要求學生構建甘氨酸和丙氨酸等氨基酸模型（圖1），比較分析甘氨酸和丙氨酸結構異同點，理解氨基酸是由碳原子構成的碳鏈為基本骨架的單體，得出氨基酸結構通式。

圖1 甘氨酸（左）和丙氨酸（右）球棍模型

（二）建構二肽結構模型

指導學生觀看有關氨基酸“脫水縮合”的視頻，促進學生直觀地認識多肽合成過程。接著，讓學生利用已經構建成功的甘氨酸和丙氨酸球棍模型，建構二肽結構模型（圖2），探究脫水縮合過程產生的水分子分別來自氨基酸的哪個基團？從而形成脫水縮合、肽鍵、二肽等概念。并指導學生利用有關化學知識比較分析二肽模型的氨基端和羧基端，讓學生明確同樣兩種氨基酸，若排列順序不同，則所形成的二肽是不同，為后續分析蛋白質結構多樣性的原因奠定基礎。

圖2 二肽球棍模型

（三）建構蛋白質結構類比模型

以紐扣模擬氨基酸、軟鐵絲模擬肽鍵及紐扣串模擬肽鏈，使得上述球棍模型進一步簡化為紐扣串實物模型。每一小組分發4 條紐扣串，其中一條是由8 個紅紐扣串成，兩條分別由3 個藍色、3 個黑色、2 個紅色鈕扣串成，還有一條則隨機由大小不同、顏色不同的11 個紐扣串成。首先，要求學生比較分析四條紐扣串的紐扣種類、數目及其排列順序，以此構建蛋白質一級結構類比模型（圖3）。再讓學生根據自己的意愿把一條或多條紐扣串折疊形成不同的紐扣團，應用這些紐扣團建構蛋白質復雜的空間結構模型，促進學生直觀地認識蛋白質結構的多樣性。

圖3 蛋白質一級結構類比模型

根據5E 教學模式“探究”環節的教學要求，應用化學球棍模型、生活實物及一系列遞進式問題情境，指導學生開展三個循序漸進的建模探究活動，幫助學生直觀、感性地認識氨基酸結構、多肽合成過程以及蛋白質結構多樣性，在質疑、釋疑與評價中，建立與理解有關氨基酸、脫水縮合、多肽、蛋白質等生物學重要概念，提升歸納與概括、分析與綜合能力。

三、在“解釋”中理解生物學概念

“解釋”是5E 教學模式的關鍵環節，引導學生解釋探究過程及探究結果是本環節的重點。課堂教學時，有機結合建模探究、解釋及評價等環節，促進學生深度學習，有助于學生正確理解科學概念。

例如，建構氨基酸結構模型時，要求學生展示、分析及相互評價各組建構的模型，引導學生求同歸納氨基酸結構通式，解釋構成生物體的氨基酸有21 種的原因是R 基的不同而導致的。同時，教師重點強調氨基酸至少皆含有一個氨基（-NH2）及一個羧基（-COOH）。建構二肽模型時，將學生構建的典型的二肽模型拍成視頻，應用“希沃小助手”軟件分享給全班學生，并要求學生解釋：氨基酸的排列順序是否是固定的？生成的水到底是由什么基團提供的？糾正學生有關氨基酸的結構特點、氨基酸的序列、蛋白質的空間構象等錯誤認識，促進學生認識到兩種氨基酸無論如何排序。只要找準化學基團就能構建二肽，若兩小組相互配合則能成功構建四肽，以此類推可以構建多肽鏈。建構蛋白質結構類比模型時，要求學生觀察教科書中的“由氨基酸形成血紅蛋白的示意圖”，并結合蛋白質結構類比模型解釋細胞合成蛋白質的過程是：氨基酸脫水縮合形成具有一定氨基酸（殘基）排列順序的肽鏈，構成蛋白質的一級結構，肽鏈折疊或螺旋構成蛋白質的二級結構，具有二級結構的肽鏈借助二硫鍵、氫鍵等化學鍵進一步折疊、卷曲形成更復雜的三級結構，如肌紅蛋白，由多個三級結構相互結合形成更復雜的空間構象——四級結構，如血紅蛋白。并讓學生明確蛋白質多樣性的原因是：組成蛋白質的氨基酸的種類、數量、排列順序不同，以及肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結構不同。

根據5E 教學模式“解釋”環節的教學要求，創設問題情境，引導學生展示模型、解釋建模探究結果，促進學生通過建模及生物學事實，探討與闡釋有關生命現象。同時，教師糾正學生解釋過程中暴露的前科學概念，解決學生建模探究過程中生成的問題，及時調整教學策略，提高建模教學的有效性與針對性。［3］

四、在“遷移”應用中形成生命觀念

“遷移”環節要求教師引導學生通過實踐與練習，加深對概念的理解與應用，促進學生形成生命觀念。

例如，通過有關腦啡肽結構與功能習題的練習，促進學生進一步理解氨基酸、蛋白質的結構與功能，形成有關氨基酸、蛋白質結構的概念模型。并要求學生分析有關資料：1.血紅蛋白中的纈氨酸取代了谷氨酸，使得紅細胞扭曲成鐮刀狀，運輸氧的能力大為削弱。2.雞蛋煮熟后，蛋白質的空間結構伸展與松散，使得雞蛋再也不能孵化出小雞。嘗試解釋：蛋白質結構和功能有什么關系？促進學生明確：每種蛋白質分子皆具有與其所承擔功能相適應的結構，若改變氨基酸序列或者是蛋白質空間結構發生變化，就會影響其功能，即蛋白質結構決定蛋白質的功能。進一步指導學生閱讀教科書有關“蛋白質的功能舉例”，深刻理解蛋白質多樣性功能與其結構多樣性是密切相關的，認同“蛋白質是生命活動的主要承擔者”。

通過當堂練習及資料分析，促進學生在新的問題情境中遷移、應用所學的生物學概念，嘗試解決實際問題或者解釋有關生命現象，形成蛋白質結構多樣性決定其功能多樣性，即有關“結構與功能相適應”的生命觀念。［4］

五、以概念模型助力交流與“評價”

“評價”環節應用綜合問題或開放性問題檢測、反饋學生對新知識的理解與應用情況，促進師生雙方在交流與評價過程中，發現、改進教與學中存在的問題。

例如，要求學生以蛋白質、氨基酸、脫水縮合等生物學概念，建構“蛋白質結構與功能關系”概念模型（圖4），幫助學生在感性認識的基礎上，通過反思、完善與修正模型，建構有關蛋白質結構與功能概念體系，同時學會建模方法。并要求學生應用所學知識評價：民間“吃啥補啥”或“以形補形”的說法正確與否。促進學生靈活應用生物學概念及生命觀念解決現實生活中與生物學相關的社會性問題。

圖4 “蛋白質結構與功能的關系”概念模型

此外，“評價”還穿插于本節三次小組合作建模探究活動及“解釋”等環節，引導學生相互評價、糾正所建構的模型及解釋，鼓勵學生勇于發表不同觀點，促進學生發展團隊合作能力、表達能力、批判性思維能力及創造性思維能力。

本節“蛋白質是生命活動的主要承擔者”教學聚焦生物學學科核心素養培育這一高中生物學課程目標，根據具體教學內容及教學目標靈活調整5E 教學模式的5 個環節，使得5E 教學模式與建模教學有機結合，引導學生主動參與建模探究活動，在建立、理解與應用生物學概念過程中，發展科學思維能力與科學探究能力，形成生命觀念與社會責任擔當。