探索生命之鏈：數字賦能生物學建模教學

在信息技術迅猛發展的今天，數字化融合發展已成為生物學教育教學改革的重要趨勢。這種融合不僅能夠提高教學效率，還能激發學生的學習興趣，促進他們對生物學概念的理解，進而發展科學思維。然而，當前教學中仍存在學生對抽象生物學概念理解不深等問題。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）強調了科學思維的重要性，并指出模型與建模是科學思維的核心內容。模型作為一種認識手段和思維方式，能夠幫助學生將抽象概念具體化，建立空間認知。筆者選取“蛋白質是生命活動的主要承擔者”這一主題，探討如何將建模與數字化教學相結合，以提升學生對蛋白質結構的理解。在ClassIn平臺支持下，學生可以參與小組建模活動，實現模型的及時檢驗和評價，同時利用在線數據庫實現蛋白質結構的可視化，逐步深化對蛋白質結構的理解。這種教學模式不僅響應了課標的要求，而且為生物學教師提供了一種新的教學參考。

下面，以高中新授課“蛋白質是生命活動的主要承擔者”為例，詳細介紹如何通過信息技術與生物學教學的深度融合，實現建模教學的創新，幫助學生發展科學思維，提升結構與功能觀。

一、信息技術環境下生物學建模教學構思

學生在學習“蛋白質是生命活動的主要承擔者”這一章節之前，已經掌握了蛋白質的消化產物是氨基酸、蛋白質基本構成以及“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質”的實驗等知識。然而，由于學生尚未接觸有機化學，氨基酸如何形成蛋白質的過程對他們來說顯得抽象且難以理解。筆者從氨基酸的結構通式出發，使用球棍模型構建氨基酸分子模型，模擬脫水縮合形成多肽，再形成蛋白質；圍繞核心問題引導學生思考，逐步深化對氨基酸形成蛋白質過程的理解[1]。學生分組合作建模，體驗科學思維過程，進而掌握基于模型的學習方法。

（一）氨基酸結構建模活動

筆者引導學生基于初中生物學知識，建立大分子的蛋白質與小分子的氨基酸之間的關系。學生觀察幾種氨基酸的結構式的圖片，歸納這些氨基酸分子結構的共同特點，找出特征基團，結合信息技術活動（如以特征基團作為組件設計拖曳游戲來構建氨基酸結構等），將復雜的知識簡單化，抽象出其本質屬性，構建出氨基酸分子的結構通式。每組學生對照21種氨基酸結構式，使用球棍模型構建氨基酸（如圖1），對氨基酸結構就有了更加真切完整的理解和感悟。

（二）多肽形成過程建模活動

學生學習科學史，了解到英國科學家桑格在1953年測得牛胰島素分子全部氨基酸的排列順序，牛胰島素由兩條鏈組成（如圖2），分別為A鏈和B鏈，它們由51個氨基酸分子組成，其中A鏈含有21個氨基酸分子，B鏈含有30個氨基酸分子。

學生繼續進行組內和組間的合作與討論，將已經建模得到的氨基酸球棍模型，按照胰島素A鏈的氨基酸序列，逐步模擬脫水縮合形成二肽（如圖3）、三肽……多肽的過程。筆者借助ClassIn平臺，實時分享學生建模進程，放大建模時原子間、基團間、脫水縮合過程細節，實時高效地進行建模評價與修正。

（三）蛋白質結構多樣性探討活動

筆者提出問題，引導學生思考。“我國科學家在合成結晶牛胰島素的時候，將這21個氨基酸分子形成A鏈的過程中有可能合成出多少種多肽？A鏈和B鏈形成二硫鍵時有多少種組合的可能？這兩條鏈最終能夠形成的胰島素蛋白質的空間結構是特定的嗎？”為探究“蛋白質結構多樣性的原因”，筆者還組織學生分工與合作，讓學生根據自己的想法完成不同肽鏈的建模。同時，利用RCSB PDB蛋白質結構數據庫，建立對蛋白質分子空間結構及其多樣性更加立體、直觀的認識。

在整個教學過程中，筆者圍繞“蛋白質是生命活動的主要承擔者”這一核心問題，一步步推進小組活動（如圖4），引導學生建模。在建模活動中，筆者讓學生多思考、親身實踐，深入理解知識。學生通過完成學習任務、組間互評、根據反饋修正模型等活動來發展和拓寬科學思維。

二、數字建模創新實踐

（一）信息技術環境下教學資源的豐富性

信息技術與課堂教學深度融合，是提高課堂教學效率的重要途徑，是數字化時代人才培養的需要，有助于學生高效建模。教師整合信息技術，使得教學不再局限于教材內容，而是拓展到更廣闊的資源領域。教師根據學生需求，及時地引入文字、圖片和視頻等教學材料。在這種共享的環境中，學生不僅能夠完成建模任務，而且能在信息的交流與合作中得到全面發展。

課前，筆者利用“問卷星”測評學生對關于蛋白質知識的了解程度，利用Word文檔提供閱讀材料，鼓勵學生閱讀、分析，歸納信息，以此鍛煉學生的閱讀和分析能力。課堂上，首先聚焦于歸納蛋白質的功能，讓學生用PPT展示預習成果，用以提高學生的主體參與感，促進學生之間的互動交流，幫助他們鞏固與內化知識。然后，為了讓學生更深入地了解科學史并增強民族自豪感，筆者分享了關于合成結晶牛胰島素的視頻資料，同時引導學生分析科學家遇到的難題及其解決問題的態度與方法，以此培養學生的科學精神。隨后，筆者分享氨基酸的結構式圖片與視頻，引導學生進行氨基酸結構建模；分享脫水縮合的動態視頻，讓學生探究多肽的氨基酸間關系；播放蛋白質的空間結構3D動畫，幫助學生理解蛋白質空間結構；利用PPT展示不同蛋白質分子的結構與功能關系，幫助學生建立結構與功能觀等。課后，為了促進學生主動學習與獨立思考，筆者鼓勵學生自主上網查閱資料，梳理課上所學內容，并進一步思考還可以從哪些角度理解“蛋白質是生命活動的主要承擔者”，鞏固所學知識，提升自主學習能力和批判性思維能力。

（二）ClassIn平臺助力建模教學

由于蛋白質分子結構較為抽象和復雜，教師僅憑具象化的語言和圖片不利于學生理解，且學習積極性不高。筆者以動畫資源、拖曳游戲、球棍模型、蛋白質數據庫、3D圖形旋轉等多元化的方式和感性材料呈現內容，同時借助ClassIn課堂構建智慧教學環境，形成教師、學生、教材、教學媒體、教師計算機、學生計算機的聯動，幫助學生理解建模材料與元素、完成建模任務、分享討論課堂練習成果與小組筆記。在氨基酸結構建模活動中，筆者在教師端借助ClassIn平臺向各組學生端電腦或平板電腦分享不同氨基酸的結構式圖片，讓學生使用手寫板或鼠標畫筆對不同氨基酸結構之間的異同進行討論分析與批注，借助ClassIn平臺實時分享，分組展示并互評。之后，為了幫助學生更好地構建氨基酸結構模型，筆者設計了基團拖曳游戲，讓學生在構建氨基酸模型前充分理解所需特征基團。在分組討論中，學生在座位展示討論思路、做筆記。這樣不僅節約時間、方便組間的評價與互動，而且有利于學生自主構建氨基酸模型。在多肽形成過程建模活動中，各組可以根據實際情況選擇直接展示或借用攝像頭來展示所構建的氨基酸、二肽、多肽等模型。目前常用的球棍模型尺寸較小，復雜模型的原子容易被遮擋，教師用攝像頭能夠很好地起到放大的作用，幫助學生更精準地找到特定的原子，并理解原子間鍵的連接和空間位置關系。這也使得學生在課堂上觀察更便捷、清晰，討論更加高效，建模評價更加精準，修正更加到位。

（三）蛋白質數據庫助力直觀認識

由于蛋白質分子微小，學生學習起來存在一定困難。學生借助RCSB PDB蛋白質結構在線搜索數據庫[2]，可高效完成探究任務，如利用數據庫搜索牛胰島素（ID ：4E7T）的3D空間結構（如圖5），使用鼠標拖曳、旋轉可以直觀觀察牛胰島素的整體空間結構，也可以點擊空間結構上的任一位置，得到對應的氨基酸序列。學生借此了解氨基酸序列與蛋白質空間結構之間的對應關系，對多肽盤曲折疊形成具有一定空間結構的蛋白質的理解更加深入。

學生在理解蛋白質分子結構的多樣性時，使用該數據庫比對牛胰島素和人胰島素結構。他們比對這兩種蛋白質氨基酸序列，直觀地看出這兩種蛋白質在空間結構上的異同，從而在氨基酸序列和蛋白質的空間結構之間建立深入而直觀地理解。還有學生利用數據庫查詢搜索更多不同的蛋白質，思考理解蛋白質結構多樣性產生的原因，進一步建立結構與功能觀。

三、數字建模教學的反思與建議

在高中生物學教學中，適合在信息技術環境下采用建模教學的內容還有很多，如真核細胞結構模型、細胞膜結構模型、DNA雙螺旋結構模型、轉錄與翻譯過程模型建構、有絲分裂與減數分裂過程模型建構等。教師可以借此引導學生建構模型、使用模型、評價模型、修正模型，一步一步地完善模型的建構，發展學生的科學思維能力。同時，教師科學運用信息技術，對學生的建模作品及時評價與修正，幫助他們建立生命觀念。

（一）整合數字資源創設建模情境

教師應明確課程教學目標以及需要建模的生物學概念或過程。建模教學需匹配恰當的教學內容，這樣才能真正實現其意義[3]。教師做好收集、篩選工作，整合數字資源，如在線平臺、文字資料、圖片、視頻、3D動畫、模擬軟件等，運用數字資源創設建模情境，輔助建模教學[4]。

（二）妙用平臺實施及時有效的建模評價

在傳統的生物學建模教學中，評價環節教師常常面臨時效性和精確性的挑戰，而這些及時的評價對于學生的學業進展、激勵學習熱情以及教學內容的調整都極為重要。建模活動本身包含復雜的思維和創新解決方案，且過程漫長，涵蓋了從數據搜集到模型構建、驗證和修正等步驟。特別是在高中生物學領域，模型往往精細且涉及微觀結構，使得學生在講臺上展示成果時效果不盡如人意。在有限的課堂時間內，教師難以確保每位學生都能清晰地展現建模過程和成果，導致師生之間、學生之間無法進行及時且全面的評估，影響了教學效果。應用信息技術之后一系列問題將迎刃而解，不僅能夠高效地提供建模所需的資源，還能收集和處理學生的建模數據，確保評價的及時性和準確性。此外，教師利用多種可視化手段，使學生能夠更直觀地理解建模的全過程及其成果。以ClassIn平臺為例，教師利用平臺支持的音視頻實時互動、屏幕共享、分組討論、自定義評分顯示、作業與測驗反饋、課堂錄像回放等功能，極大地促進了實時交流和指導，使建模過程的細節展示更加清晰，互動氛圍更加積極，同時也能更準確地反映學生的建模能力和素養。

（三）巧用數據庫與軟件使生物大分子結構可視化

目前已經涌現一批權威的生物學數據庫，如美國國家生物技術信息中心、PubMed、RCSB PDB蛋白質結構數據庫等，以及PyMOL、Chimera、VMD等生物大分子可視化軟件。學生動手操作數據庫和可視化軟件，參與查詢、下載、可視化探究，親身體驗生物學數字建模的過程，有助于培養實踐能力和科學探究精神，深刻理解生物大分子的結構特征和功能關系。

（四）融合信息技術促進課堂互動

信息技術與課堂教學深度融合，是提高課堂教學效率的重要途徑，是數字化時代人才培養的需要。數字化技術的應用有助于增進生物學教學課堂互動，如師生互動、生生互動、人機互動等[5]。教師不但需要對知識體系有正確的認識和理解、熟練掌握信息技術技能與多元方式，而且對互動內容的選擇和設計也要仔細斟酌。教師應充分運用信息技術，巧妙地將其與課堂教學融合起來，以學生為主體，優化教學過程，促進課堂互動，激發學生興趣、提高學生參與度，幫助學生建立生命觀念，達成深度學習目標。

通過上述教學構思與實踐，我們可以看到信息技術環境下生物學建模教學的潛力和效果。采用這種方式教學不僅能夠提高學生的科學思維和實踐能力，還能夠促進學生主動學習、深度學習。隨著信息技術不斷發展，我們可以預見，未來的生物學教學將更加多元化、個性化和高效化。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數字教育研究院2022年度重點課題“基于數字資源與技術的生物學科教學創新實踐研究”（課題編號：RJA0222002）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 唐創強.“蛋白質是生命活動的主要承擔者”問題驅動教學設計[J].中學生物教學，2022（33）：61-64.

[2] 劉偉華，李霞，何彬，等.聚焦生命觀念的線上教學：以專題復習課“胰島素的前世今生”為例[J].中小學數字化教學，2023（1）：3-27.

[3] 趙萍萍，李秋石，劉恩山.生物學建模教學設計誤區分析及啟示[J].中學生物教學，2021（12）：44-48.

[4] 趙萍萍，劉恩山.生物學建模教學研究進展及啟示[J].生物學通報，2015 （1）：19-23.

[5] 丁學.信息技術環境下高校課堂教學師生互動路徑的探索[J]. 山東電力高等專科學校學報，2022（5）：68-70.

（作者王曉蕾、劉偉華系北京景山學校教師；李霞、王宇系北京市東城區教育科學研究院教研員）

責任編輯：祝元志