模型建構在生物學教學中的應用
——以“細胞的分子組成”為例

李娟娟 張金鑫 馮陽春 韋玉紅

(上海市嘉定二中 上海 201802)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》在編寫理念中強調,中學生物學課程應高度關注學生學習過程中的實踐經歷并通過引導讓學生積極參與動手和動腦的活動。模型建構是學生根據知識內容,在大腦中將理想的模型構建出來,再動手實踐,并根據實際情況加以修改完善的過程,是落實新課標“教學過程重實踐”理念的重要抓手。教學中,教師有意識地引入模型建構活動,可以豐富教學的內容和形式,使學生在多樣化的活動中構建新知、發展能力。

以滬科版《必修1·分子與細胞》第二章“細胞的分子組成”為例,該單元內容涉及水、無機鹽、糖類、脂質、蛋白質、核酸等物質,與日常生活密切相關,是學生學習和理解大概念“細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”的重要基礎。然而,由于該單元概念較多、理論性較強,教材設置的學生活動也只有“檢測生物組織中的還原糖、脂肪和蛋白質”這一個探究實驗,常規的講授式教學難以有效激發學生的學習興趣。為增強學習內容的趣味性,滿足學生多樣化的活動需求,教師可從以下幾個維度引入模型建構。

1 通過建構物理模型提升學生的空間認知能力

物理模型以實物或圖畫形式直觀地表達認識對象的形態結構或三維結構。“細胞的分子組成”單元包含碳鏈、氨基酸、糖類、脂肪的分子結構,蛋白質的空間結構及水分子極性等相關概念。由于文字以及圖片的抽象性,學生難以在腦海中建立上述分子的空間結構。鑒于這一情況,教師可在每節設置相應的模型搭建活動,增強學生對物質結構及相關理化過程的認識。

1.1 以球棍模型展示生物分子的空間結構

完成第一節相關理論的學習后,學生可以利用教師提供的材料,根據要求完成實踐類作業,即利用球棍模型組件搭建葡萄糖和半胱氨酸的分子結構模型(圖1),并找出兩種分子碳骨架的特征。學生通過模型搭建了解并熟悉葡萄糖以及半胱氨酸的分子結構,深化對“元素以碳鏈為骨架形成復雜的生物分子”概念的理解,為后續多糖及蛋白質空間結構的學習奠定堅實的基礎。

圖1 葡萄糖(左)及半胱氨酸(右)分子結構模型

學習了第三節“糖類和脂質是細胞的結構成分和能源物質”后,學生可以參照教材圖片搭建脂肪分子結構模型(圖2)。教師通過組織學生先搭建甘油、脂肪酸分子的球棍模型,再進一步組裝脂肪分子模型,促進學生對脂肪等有機物空間結構的理解和掌握,有助于學生形成結構與功能觀。

圖2 脂肪分子結構模型

1.2 以球棍模型演示理化變化過程

完成第二節理論知識的學習后,學生可以參照教師提供的20 種常見氨基酸的結構式搭建任意一種三肽(圖3),并統計全班同學所搭三肽的種類。本活動有助于學生體會氨基酸脫水縮合的過程,了解脫水縮合與肽鍵形成之間的關系。同時,學生觀察、比較班級其他學生搭建的不同三肽的空間結構,對于其下一步學習蛋白質結構的多樣性以及“蛋白質的功能與其結構密切相關”這一概念具有重要的鋪墊作用。

圖3 三肽(甘氨酸-半胱氨酸-丙氨酸)結構模型

與2007年版教材相比,新教材增加了“水分子的極性”相關內容。為突破難點,學生可在教師的指導下先搭建水分子結構模型及氯化鈉晶體模型,然后模擬氯化鈉溶解在水中后呈現的狀態(圖4)。此活動旨在通過動手實踐幫助學生理解Na+、Cl-與水分子的O、H 端結合導致快速溶解的現象,便于學生后續對“水分子具有極性”“水賦予細胞生命特性”“細胞中的大部分化學反應在水環境中進行”等概念的理解性學習。

圖4 T4 溶菌酶三維結構(左),后5 個氨基酸改為天冬氨酸后的三維結構(右)

圖4 水分子結構模型(左)及NaCl 在水中溶解過程模型(右)

1.3 以三維結構模型模擬目標蛋白質的結構性質

蛋白質的三維結構是理解其生物學功能的基礎。學生在學習了教材第31 頁正文及“廣角鏡”欄目后,對T4 溶菌酶的氨基酸序列、空間結構及蛋白質數據庫具有一定程度的了解,但認識并不深刻。鑒于此,教師可以安排學生在課后以T4 溶菌酶為例,登陸專業建模網站(如https:/ /swissmodel.expasy.org/等),輸入氨基酸序列,通過計算機模擬獲取該蛋白的3D 結構,并通過滑動鼠標按鍵實現對該結構360 度的全方位觀察;學生還可以在T4 溶菌酶氨基酸序列的基礎上,任意刪減、增加或替換幾個氨基酸,建構“改造”后的蛋白質并觀察、比較其與天然T4 溶菌酶在空間結構方面的差異(圖4)。教師借助信息技術手段建構三維模型增強了學習內容的生動性和直觀性,以“鮮活”的方式將抽象的理論轉化為宏觀的動態模型,提高了學生的學習效率。

2 通過建構概念模型培養學生的系統思維能力

概念模型以圖示、文字、符號等組成的流程圖形式對事物的生命活動規律、機理進行描述、闡明。單元學習結束后,教師可以圍繞核心概念讓學生嘗試發散思維建構概念模型。學生可以從核心概念出發,將各節涉及的重要概念、次位概念按概念層級輻射開來梳理知識點之間的聯系,從而使模糊的概念清晰化,孤立零散的知識系統化,進而多層次、多角度地認識概念的實質。

本單元的教學中可圍繞“細胞的分子組成”構建并完善概念模型(圖5),建立知識體系。

圖5 本章各節概念關系圖

3 通過建構數學模型強化學生嚴謹的思維品質

數學模型是指用來描述一個系統或其性質的數學形式,是利用符號、公式等數學語言表征生物學事實、現象及其變化規律的有效學習工具。在生物學教學過程中,教師引導學生嘗試建立數學模型來解釋生物學研究對象的數量變化,有利于培養學生由現象到本質的思維遷移能力及嚴謹的思維品質。

本單元的第二節有“脫氧核苷酸的排列順序及DNA 儲存大量遺傳信息”的描述,很多學生不理解四種脫氧核苷酸能夠構成大量遺傳信息的原因。因此,在教學過程中教師可以通過循序漸進的設問,幫助學生在準確解讀文字信息的基礎上提煉數學模型。

首先,結合教師展示的DNA 平面結構圖,學生能夠看出在DNA 雙鏈中A-T(或G-C)堿基對與T-A(或C-G)堿基對不同,進而總結發現DNA 分子中1個堿基對有A-T、T-A、G-C、C-G 四種可能。在此基礎上教師提出問題:若某DNA 片段含2 個堿基對,其排列順序有多少種可能?3 個堿基對呢?若某DNA由2n個脫氧核苷酸構成,該DNA 分子含多少個堿基對?這些堿基對的排列順序有多少種可能?然后,結合學生的答案,師生一同抽象、概括出相應的數學模型(表1)。通過將文字描述轉換為數學表征形式,教師以簡單、高效的方式呈現生物學理論知識中蘊含的客觀規律,有益于培養學生的創造性思維。

表1 DNA 分子中堿基對數目及其排列順序數量關系

4 教學啟示

模型建構作為一種有趣、有效的教學手段,能夠將教師的教及學生的學從紛繁復雜的生物學概念及結構中解放出來,使學生通過主觀能動地思考、合作、探究,化繁為簡地掌握其科學本質。在教學中引入模型建構需關注以下要點:

4.1 強化建模意識,注重頂層設計

教師是學生學習的引導者和促進者,因而要開展模型教學首先需要教師在思想上重視。一線教師應主動擺脫傳統教學模式的束縛,通過自主鉆研、積極學習借鑒等方式加強建模知識儲備,并自覺把模型及模型方法運用到教學實踐中,以發揮模型教學在發展學生能力方面的優勢。再者,模型建構對學生能力的培養不是一蹴而就的,需要教師統籌課內、課外進行整體設計,并通過分解任務、示范引導使學生逐步熟悉并掌握模型建構的思維方法,最終實現靈活運用。

4.2 堅持學生主體,助力素養培育

一切教學活動都是為學生的發展服務的,因而開展模型建構還應關注學生學習主體地位的落實,既不能流于形式,也不能以教師講解和演示代替學生的親身實踐。教師應充分挖掘和利用教材中蘊含的豐富的模型資源,通過精心設計、正確引導組織學生將理論學習與實踐活動有效整合,以多樣化的模型建構及展示交流活動助力學生核心素養目標的達成。