基于深度學習理論的蛋白質結構與功能觀主線式教學案例

王璽 張健

摘要： 為實現深度學習，引導學生形成系統的生物學概念從而建立生命觀念，教師需要采取創新的手段來呈遞學科內容，促進學生自主地對知識進行深度加工，體驗有趣的探究學習過程，從知識規律中獲取正確的價值觀。本文以一節課的教學內容為例，這節課以小明同學意外摔傷后的生活體驗為故事背景，關聯學生已有的、未知的知識點，并利用層層設問的方式，推動學生積極參與學習過程。

關鍵詞： 深度學習 ?核心素養 ?主線 ?情境教學

傳統的學科課堂常采取以教授知識為目標的教學模式，教師只關注學生是否掌握了對蛋白質基本單位的了解及對蛋白質結構的初步認識。學生的學習是低水平的理解，很難將所學內容遷移應用到生活中去，產生學以致用的價值體驗。因此，要培養學生的高階思維，形成概念性理解，幫助學生完成有效學習的意義建構是學科教學的重心任務之一。

所謂“深度教學”，是指教師借助一定的活動情境帶領學生超越表層的知識符號學習，進入知識內在的邏輯形式和意義領域，挖掘知識內涵的豐富價值，完整地實現知識教學對學生發展的價值。為實現深度學習，引導學生形成系統的生物學概念從而建立生命觀念，教師需要采取創新的手段來呈遞學科內容，促進學生自主地對知識進行深度加工，體驗有趣的探究學習過程，從知識規律中獲取正確的價值觀。

生活常識與小故事往往貼近學生的個人經歷，能夠有效地吸引學生的注意力。將生活情境與問題情境融合，是啟發學生積極思考和主動建構的有效途徑。蛋白質的相關知識點與實際生活關系緊密，如嬰幼兒最主要的食物來源是牛奶中的蛋白質，機體抵御病原體的抗體是蛋白質，促進消化的多酶片是蛋白質，等等。教師在引導學生認識蛋白質的概念時，可引入生活實例，作為傳遞知識的良好素材。本文以一節課的教學內容為例，這節課以小明同學意外摔傷后的生活體驗為故事背景，關聯學生已有的、未知的知識點，并利用層層設問的方式，推動學生積極參與學習過程。

一、教學目標

1.通過小明的生活經歷，了解蛋白質功能的多樣性，實現自我體驗與成長。

2.通過四組圖片比較四種不同的氨基酸，總結其結構特點。認識到氨基酸是蛋白質的基本單位，提高生物學素養。

3.通過自主建構，活動模擬，理解氨基酸脫水縮合的過程，明白蛋白質結構多樣性的原因。

4.圍繞蛋白質結構與功能多樣性的事實展開討論，進一步形成結構與功能相適應的生命觀。

二、教學重難點

1.氨基酸的結構特點，以及氨基酸形成蛋白質的過程。

2.蛋白質的結構多樣性及其形成原因。

三、教學過程

（一）創設情境，趣味導入

生活中，學生可能都有過摔傷的經歷。同學小明走路玩手機意外摔傷，被送往醫院做了縫合手術。（設計意圖：在學科教育中滲透生活教育，以反面素材讓學生意識到走路分神玩手機的危害，引導學生養成良好的生活習慣）醫生說用的是膠原蛋白縫合線，這種線可以被組織吸收，且不需要拆線。教師以小明主人翁的視角向大家提出問題：這種縫合線需要經過怎樣的化學變化才能被組織吸收呢？由此引入新課，調動學生的學習積極性。（設計意圖：將德育與學科教育相結合，引導學生辯證地分析小明同學貪玩也好學的行為，在學習的過程中適當投入個人情感，不僅可以促進學生對知識的有效吸收，更能促進青少年的心理發展）

在小明住院的那幾天，他觀看了在東京奧運會男子100米半決賽上蘇炳添創造亞洲紀錄的過程，小明和大家一樣感到熱血沸騰。熱愛思考、善于發現 問題的小明心想：蘇炳添的力量源自于他健碩的肌肉，而怎樣才能練就這樣的體質呢？肌肉的化學成分是什么？什么物質能夠為肌肉細胞輸送氧 氣呢？

小明在住院期間發現，醫院工作人員每天都會做好消毒工作。小明不解，空氣中有那么多細菌病毒，以前并未時時消毒也不會染病。人體是如何抵御外來病原體保持健康的呢？由此引出抗體的概念，并予以介紹。

小明手術后，親戚朋友都打電話慰問表示關心。七大姑八大姨都讓小明多喝魚湯、吃雞肉補充營養，提高免疫力。小明覺得很有道理，但又說不出什么理由，他思考如若直接飲用抗體制劑，機體免疫力是不是會更強？向學生詢問原因，請學生討論分析。

小明隔壁病床的老爺爺需要定期打針，小明關心且好奇地問他為什么打針？注射的是什么藥物？教師以老爺爺視角引出胰島素，介紹糖尿病患者的治療方法，及胰島素相關知識。提問：胰島素能否口服使用？一定需要注射嗎？以此作為伏筆，為學生了解結構與功能的關聯做好鋪墊。

終于小明出院了，媽媽做了一桌好菜，小明吃多了，結果消化不良很不舒服，媽媽買了多酶片給他服用，并囑咐他要整片吞下，不能嚼碎。小明好奇地問：為什么服用多酶片可以促進消化呢？為什么服用多酶片必須整吞？引導學生交流討論作答。在此教師創設問題情境：同樣是蛋白質的化學成分，為何胰島素必須注射，而多酶片可以口服？學生在認知上會形成巨大的沖突，為了弄清原理，學生產生好奇心。為了解決這些問題，學生首先需要汲取基礎概念，并在概念理解的基礎上，利用意識思維進行深度思考，才能將知識有序化、系統化。

教師請學生總結生活中提到的有關蛋白質的功能，并記錄問題。

（二）圍繞課題，層層設問

小明有個剛出生沒多久的堂妹，對常規奶粉里的蛋白質過敏。他記得媽媽曾說過醫生建議家人給小堂妹喝氨基酸奶粉。他不解為什么吃不了蛋白質食品，卻可以吃氨基酸奶粉？氨基酸和蛋白質之間有什么關系？若要幫助小明同學解答以上問題，需要了解蛋白質的基本結構及氨基酸形成蛋白質的過程。教師引導學生帶著任務學習：首先在課本中圈出四種氨基酸相同的部位和特殊的部位。

教師介紹氨基酸共有結構區域（化學基團）后，請學生嘗試將打亂的氨基酸分子的各個基團重新拼接到一起。

教師詢問：組成生物體的氨基酸的R基有多少種？并創設情境：假如一個人坐飛機失事流落到孤島上，那里只有玉米可以吃，若這個人被困在島上幾個月只能吃玉米，往往會營養不良。因為玉米缺少賴氨酸，而成人的細胞不能合成賴氨酸。賴氨酸屬于必需氨基酸，得依靠攝取食物才能獲得。進一步提問：類似這樣的氨基酸有幾種？由此引出必需氨基酸和非必需氨基酸的概念。

教師展示課件（見圖1），請學生討論作答：以下分子是不是組成生物體的氨基酸？

教師提問：3為什么不是組成生物體的氨基酸？4的R基在哪里？這說明了什么？5是不是組成生物體的氨基酸？學生思考作答，并嘗試總結作為組成生物體的氨基酸需要滿足的結構特點：至少有一個氨基和一個羧基，連在同一個中心碳原子上。教師介紹：5是組成人體的第21種氨基酸，叫硒代半胱氨酸。Se原來的位置如果是一個硫原子，那么它就是半胱氨酸。教師進一步提問：組成生物體的氨基酸一定含有哪些元素？可能含有什么元素？

請學生觀看教材中的插圖，并嘗試描述氨基酸之間如何進行連接。為學生提供多種彩色的帽子（代表R基）、多只綠色手套（代表氨基）、相等數量的黃色手套（代表羧基）、藍色小夾子（代表氨基脫下的氫原子）和紅色小夾子（代表羧基脫下的氫和氧原子），引導學生參與活動，模擬氨基酸脫水縮合的反應過程。教師給予點評和升華，側重脫水縮合知識點教學。

家人曾經嘗試給小明的堂妹口服過適度水解的奶粉，但仍有過敏情況出現。小明的堂妹只能喝完全水解的氨基酸配方奶粉。教師提示適度水解奶粉里的主要成分是多肽。多肽和氨基酸及蛋白質有什么關系？多肽是不是蛋白質？蛋白質形成過程中經歷了哪些結構層次？學生作答：氨基酸脫水縮合形成的多肽，需要通過加工折疊后，才能形成有空間結構的蛋白質分子。教師進一步提問：一種蛋白質分子中一定只有一條肽鏈嗎？若有幾條肽鏈，它們如何組成一個蛋白質分子？指導學生閱讀課本，觀看課件，引出氫鍵和二硫鍵。

教師繼續介紹：小明在生活中善于觀察，從細微事物中發現問題，他知道魚肉和雞肉都是蛋白質，但他不明白為何兩種蛋白質不同，它們的結構因何 不同？

教師給出圖示模型，引導學生討論分析蛋白質結構多樣的原因。

（三）貫通概念，學以致用

學生了解了蛋白質的結構，教師提問：鐮狀紅細胞是怎么造成的？學生看書討論作答：血紅蛋白的結構發生改變，嚴重影響了血細胞的結構。教師總結：如果蛋白質的結構發生改變，其功能往往也會發生改變。教師在此基礎上進一步提問：能不能從結構與功能相適應的角度思考為什么服用多酶片必須整吞？胰島素能否口服，一定需要注射嗎？抗體能口服嗎？學生熱烈交流討論，一致認為：若嚼碎口服，胃里的特殊酸堿環境可能會破壞多酶片成分，并且消化道內有消化酶會破壞胰島素和抗體的結構，從而導致藥效流失。教師補充介紹：蛋白酶、腸肽酶等會破壞蛋白質中的肽鍵，故而可將蛋白質水解為多肽和氨基酸。學生因此也明白了小明最初的疑惑：作為手術縫合線的膠原蛋白需要經過酶的水解作用才能被組織細胞吸收。另外值得關注的是：多酶片的外層是淀粉酶、胃蛋白酶，內層是腸溶衣片包裹的胰蛋白酶。該藥片不能嚼碎，原因是內部的胰蛋白酶暴露在胃酸環境下會喪失活性?？贵w也不能口服，但新生兒可通過口服母乳獲得其中的抗體IgA，這種抗體可以防止病原體吸附在黏膜表面，從而抑制病菌的入侵。嬰兒腸道黏膜的分泌物內含分泌片，可以封閉IgA抗體的蛋白酶敏感位點，使其在富含蛋白酶的黏液中存在更長的時間，如此才能在消化道黏膜上較為穩定地發揮防御作用。

深度學習可以促進學生跨情境進行知識遷移，利用一般規律解釋現象背后的本質。教師可以利用以下幾個生活常識小問題，檢驗學生的學習效果，培養學生思維的靈活性與認知問題的深刻性。

（1）嫩肉粉含有木瓜蛋白酶，其為什么可以使肉質變松軟？在什么時候可以使用？

（2）煮熟的雞蛋為什么更容易消化，煮熟的雞蛋還能返生孵化出小雞嗎？

（3）酒精為什么可以消毒，其有何作用？

學生若是形成了結構與功能的生命觀，可以聯想到酶、酒精和高溫都會破壞蛋白質的結構，從而使其失去活性。教師進一步提問：酶對蛋白質的作用實質是催化其內部的肽鍵斷裂，而酒精和加熱也是通過斷裂肽鍵從而破壞蛋白質結構的嗎？學生閱讀課本可知二者是改變蛋白質的空間結構而導致變性的。教師可繼續引導學生比較蛋白質水解與變性的異同之處。

（四）構建網絡，深度加工

深度學習的核心是促進學生對知識的理解。引導學生分組嘗試繪制思維導圖，外化思維框架，直觀呈現知識點之間的邏輯關聯，能夠很好地訓練學生的科學思維。在繪制過程中，學生需要確定各個概念之間的關系。教師還可以根據思維導圖了解學生的知識掌握情況。

四、教學反思

本案例是以培養學生的生物學核心素養為出發點，以實現深度學習為目標的教學設計。全程將生活故事與問題情境相融合，既有情境任務，也有活動任務，讓學生充分參與合作探究式的教學環節。課堂中，教師不是將知識概念直接灌輸給學生，而是讓學生自主思考、主動建構，從而收獲升華。在此過程中，不僅發展了學生的科學思維，更是滲透了立德樹人的根本任務。

參考文獻：

[1]王璽，張健.蛋白質相關知識點的深入思考[J].中學課程輔導（教學研究），2021（35）：105.

[2]于善謙.免疫學導論（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

責任編輯：唐丹丹