基于問題驅動的高中生物學主線式情境教學設計與實施

摘 要：在“蛋白質”一節的教學中，采用問題驅動的教學方法，以過氧化氫酶為主線情境，圍繞主線情境，設置3個遞進式驅動問題，引導學生在自主探究活動中，構建相關概念，提升科學思維，培養科學探究能力。

關鍵詞：主線式情境；驅動性問題；過氧化氫酶；蛋白質

一、教材分析及設計思路

“蛋白質是生命活動的主要承擔者（第2課時）”是人教版高中生物學教材（2019版）必修1第2章第4節第2課時的內容，主要介紹了蛋白質的結構及其多樣性。本節內容是在第1課時中學生已經學習了蛋白質的功能和氨基酸的結構特點等知識的基礎上，進一步學習氨基酸形成蛋白質的過程和蛋白質結構多樣性的原因。通過對蛋白質相關概念的學習，提升學生歸納和概括、演繹與推理、分析和綜合等科學思維能力，樹立結構和功能相適應的生命觀念，認同蛋白質與生命活動的關系。

在教學實踐中，由于本節概念的抽象性質，教師經常需要設置相關情境，但設置的情境多數只用在導入環節，或者整節課設置不同情境，缺乏整體性和連續性，導致課堂主線不清，學生思維發展受限[1]。因此，在本節教學中，教師通過設計過氧化氫酶為主線情境載體，圍繞主線情境，提出3個驅動性問題，引導學生自主完成相關探究，形成相關概念，并應用所學內容對相關社會議題做出理性判斷，辨別偽科學。

二、教學目標

基于課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制定了如下教學目標：

（一）通過對過氧化氫酶的了解，由特殊到一般，構建氨基酸形成蛋白質的過程和蛋白質結構多樣性等相關概念，認同蛋白質的結構和功能是相適應的。

（二）通過主線情境相關的問題驅動、資料閱讀、圖表分析以及小組合作探究，提升歸納與概括、演繹和推理等科學思維能力，并進一步體驗科學探究的過程。

（三）通過蛋白質相關社會議題的討論，應用所學知識，辨別偽科學，培養批判性思維和健康生活方式。

三、教學過程

將全班52個學生分成26組，每2個學生為1組，以小組為單位開展探究活動。

（一）創設主線情境，激發學習欲望

教師先播放醫生用過氧化氫消毒液給傷口消毒視頻，提出問題：為什么傷口涂抹過氧化氫會出現大量的氣泡？在學生思考無果后，教師告知學生在動物的多種組織中均存在過氧化氫酶，當往傷口涂抹過氧化氫溶液時，機體破損處的過氧化氫酶催化過氧化氫分解成氧和水，產生大量氣泡。接著，教師以文字資料介紹過氧化氫酶的來源、應用，最后總結過氧化氫酶是一種存在于所有已知動物各個組織中的一種酶，其化學本質是蛋白質，從而引出蛋白質。此后，進一步設疑：為什么過氧化氫酶能分解過氧化氫，這與其結構是否存在關聯？機體如何合成過氧化氫酶？帶著這些疑問來學習“蛋白質”。

設計意圖：以生活情境作為切入點，激起學生好奇心，通過文字資料介紹，讓學生初步了解過氧化氫酶這一特殊蛋白質，引出本節主題，并激發學生進一步學習的欲望。

（二）圍繞主線情境，提出驅動問題

依托主線情境，提出以下三個遞進式驅動性問題：

1.驅動性問題1：氨基酸如何形成過氧化氫酶？ 通過第1課時的學習，學生了解蛋白質的基本單位是氨基酸，過氧化氫酶作為一種蛋白質，也是由許多氨基酸形成。教師由此提出核心問題：生物體內氨基酸如何形成過氧化氫酶？物質從氨基酸到過氧化氫酶的變化過程中理化性質發生什么變化？教師先回顧蛋白質的鑒定原理，并強調蛋白質中的酰胺鍵與雙縮脲試劑反應生成紫色絡合物，建議學生從蛋白質的鑒定原理出發，探究氨基酸溶液和過氧化氫酶溶液的理化性質的差異。此后，教師提供實驗材料用具，讓學生進行小組合作探究1：用雙縮脲試劑分別檢測混合氨基酸溶液、過氧化氫酶溶液、雞蛋清稀釋液，預期會出現什么樣的顏色反應？請動手實驗驗證你的預期結果是否正確。在教師的指導下，學生完成上述3種實驗材料的鑒定，實驗結果顯示混合氨基酸溶液和過氧化氫酶溶液遇雙縮脲試劑并不會生成紫色絡合物，而雞蛋清稀釋液遇雙縮脲試劑會生成紫色絡合物。這與學生的實驗預期并不完全相符。通過實驗可知，氨基酸溶液由于不含酰胺鍵，遇雙縮脲試劑不生成紫色絡合物，雞蛋清稀釋液這種蛋白質卻可以，這說明由氨基酸形成蛋白質的過程中，形成了酰胺鍵。此時教師追問：過氧化氫酶也是一種蛋白質，為什么遇雙縮脲試劑不會生成紫色絡合物？教師鼓勵學生結合已有的知識經驗，針對這個實驗現象提出假說，學生通過觀察和思考，提出過氧化氫酶溶液本身帶有淡褐色，會影響蛋白質與雙縮脲試劑的顯色反應；過氧化氫酶溶液中酶濃度較低，其中蛋白質含量不足，與雙縮脲試劑的顯色反應不明顯等假說。教師廣泛聽取學生提出的假說并對學生的假說給予肯定和合理評價。

設計意圖：立足舊知識，提出新問題，用實驗探究方法解決問題，符合學生的認知規律。學生已學習氨基酸是蛋白質的基本單位和蛋白質的鑒定原理，教師在此基礎上進一步提出新問題，引出新知識，培養學生知識遷移應用的能力。同時，過氧化氫酶遇雙縮脲試劑不顯紫色，讓學生形成認知沖突，激發學生的興趣，提升學生演繹與推理的科學思維能力。

隨后，教師引出氨基酸形成蛋白質過程的第一步：脫水縮合。教師展示2個氨基酸間脫水縮合的動態過程圖，并依托動態圖講解脫水縮合等相關概念。此后，教師追問：如果是3個或者3個以上的氨基酸脫水縮合，形成2條或者2條以上的肽鏈，會產生幾個肽鍵，脫去幾分子水？教師讓學生通過構建數學模型來探究其規律。

設計意圖：通過動態過程圖和模型建構，將抽象的過程具象化，幫助學生理解氨基酸形成蛋白質的過程，并構建相關概念。

2.驅動性問題2：過氧化氫酶的結構層次及其與其他蛋白質結構不同的原因？教師先展示三則資料：①血紅蛋白中有574個氨基酸，共形成4條多肽鏈，其中兩兩相同，即2條α鏈（各有141個氨基酸，含較多組氨酸），和2條β鏈（各有146個氨基酸，含異亮氨酸、甘氨酸等氨基酸）；②過氧化氫酶是由4條多肽鏈組成的同源四聚體，每一個亞基含有超過500個氨基酸殘基；③人胰島素是由2條多肽鏈組成。A鏈有11種21個氨基酸，B鏈有15種30個氨基酸，共16種51個氨基酸組成，兩條鏈中含較多半胱氨酸、蘇氨酸等。隨后，教師出示由氨基酸形成血紅蛋白示意圖、過氧化氫酶結構示意圖、胰島素氨基酸序列示意圖，讓學生進行小組合作探究2：結合由氨基酸形成血紅蛋白示意圖說說從氨基酸到蛋白質大致有哪些結構層次？嘗試結合資料和示意圖分析三種蛋白質結構不同原因。通過上述資料、圖片，引導學生自主歸納總結蛋白質的結構層次和蛋白質多樣性的原因。

設計意圖：通過驅動性問題，激發學生學習內驅力。基于客觀資料、圖片的比較與分析，鍛煉學生信息獲取與邏輯推理能力，幫助學生進行自我生成式知識獲取，有利于自主構建相關概念，提升歸納與概括的能力。

3.驅動性問題3：過氧化氫酶的結構與功能存在什么關系？ 教師先回顧蛋白質的功能，讓學生明白蛋白質的功能和結構均具有多樣性，教師提出驅動性問題3，讓學生思考蛋白質結構和功能之間的關系。教師組織學生開展小組合作探究3：向過氧化氫溶液中分別加入加熱煮沸的過氧化氫酶和未加熱煮沸的過氧化氫酶，觀察實驗現象，并回答問題：實驗現象說明什么問題？通過實驗現象，學生明白高溫會破壞過氧化氫酶活性，導致其理化性質發生改變。教師進一步追問：高溫導致蛋白質理化性質改變的原因是什么？教師組織學生開展小組合作探究4：探究高溫導致蛋白質理化性質改變的原因。教師先提出問題：①高溫導致蛋白質理化性質改變的原因可能有多種，你能提出哪些假說？②如何通過實驗去驗證假說？教師對學生提出的假說給予合理的評價并匯總。此后，根據教師提供的實驗材料用具和匯總的假說，引導學生設計實驗并進行驗證。例如，教師可以提供的實驗材料用具有：雞蛋清溶液、生豆漿、雙縮脲試劑、試管架1個、10mL試管若干、100ml燒杯若干、1ml塑料吸管若干等。在實驗結束后，教師鼓勵學生對自己設計的實驗和得出的結論進行小組間交流，并提出問題：①未加熱的雞蛋清溶液呈無色透明，加熱煮沸后呈白色塊狀固體，這說明什么問題？②加熱煮沸后的生豆漿和未加熱煮沸的生豆漿中加入雙縮脲試劑都會出現紫色反應，這說明什么問題？學生通過實驗和思考，得出結論：高溫等物理因素會使蛋白質的空間構象發生改變，由此引出蛋白質的變性。

設計意圖：探究3讓學生觀察到特定的生物學現象，教師的追問引導學生開展探究4，進一步探索現象產生的原因。在經歷提出假說、設計實驗驗證、表達與交流后，學生體驗了科學探究的過程，并掌握科學探究的基本思路和方法，初步認同蛋白質的結構和功能是相適應的。

此后，教師引導學生繼續探究導致蛋白質變性的因素。教師出示兩個關于植物體內過氧化氫酶活性的研究成果：圖1pH對蓮霧果實過氧化氫酶（CAT）活性的影響和表1重金屬離子對黃山貢菊離體葉片中過氧化氫酶（CAT）活性的影響，要求學生思考并回答問題：①由圖1和表1你可以歸納出有哪些因素會影響過氧化氫酶活性？具體有什么影響？②你還能提出其他影響過氧化氫酶活性的因素嗎？③日常發生重金屬中毒，早期可以口服牛奶，起到緩解作用，其原理是什么？最后引導學生歸納出導致蛋白質變性的因素。

設計意圖：以過氧化氫酶相關的科研資料為情境素材，讓學生在真實的情境中思考，鍛煉學生歸納、概括、推理能力。問題③通過一個學生已知的生活情境，幫助學生將所學知識進行遷移應用，進一步加深對蛋白質的結構和功能相適應的理解。同時，通過對影響酶活性的因素探討，既可以引出蛋白質變性，也為之后酶相關知識的學習埋下伏筆。

（三）知識遷移應用，提升思辨能力

教師出示三則與蛋白質相關的社會性議題：①在食品工業上常用過氧化氫酶去除牛奶等食品中的過氧化氫，并能有效防止食品被氧化，但有人提出過氧化氫酶可能破壞食物中的蛋白質等營養成分；②近年來，隨著飲食文化的多樣化，有些人開始崇尚生食文化，認為生食中的蛋白質等營養物質不被高溫破壞，更有營養，且口感更加豐富，潮汕地區的生腌蝦就是代表性食物之一；③民間有很多“以形補形”“吃啥補啥”說法，如吃魚眼能明目，喝虎骨酒可以壯筋骨，吃膠原蛋白補膠原蛋白。教師引導學生運用辯證性思維，根據本節所學知識對這些觀點加以評判，并進行小組間交流。學生基于本節課所學知識，在上述三個情境中思考，在小組內發表自己的觀點。在這個過程中，教師要及時關注學生的相關觀點，并適時做出點評和糾正，幫助學生正確地看待相關議題，既要認識到相關議題的可取之處，也要發現議題中存在的問題，提升學生思辨能力。

設計意圖：教師拋出社會性議題，讓學生基于本節課所學的生物學知識，參與討論，做出理性判斷，鍛煉自身邏輯思維。在幫助學生進行知識遷移應用的同時，深化理解本節內容，培養學生的批判性思維，辨別偽科學，樹立健康生活方式[2]。

四、教學反思

主線式情境教學能讓課堂有一個清晰的主線，圍繞主線設置一系列的問題串進行驅動，充分調動學生學習的積極性，讓學生主動參與課堂，構建相關概念。本節選擇過氧化氫酶作為主線情境，主要原因在于蛋白質是一個抽象概念，用一個具體形象的實例替代，化抽象為形象，有助于學生的理解。同時，過氧化氫酶具有一些較為特殊的理化性質，有助于課堂開展相關探究實驗，也為第5章有關酶的學習埋下伏筆。整節課通過多種形式的探究性活動，培養學生科學思維，提升科學探究能力，促進核心素養的發展。但同時，本節課在引導學生針對部分問題開展探究實驗的過程中，過于注重實驗過程，對于實驗原理的解析和實驗結論的總結仍存在不嚴謹之處，導致學生對于相關知識點的歸納總結不夠科學。本節課中的部分問題探究具有較大的開放性，對于部分學生提出的猜想不能做到全部驗證，這在一定程度上限制了學生思維的進一步發展[3]。

結束語

通過本節課的教學設計和實施，初步印證了基于問題驅動的主線式情境教學模式在高中生物學課堂中具有重要的應用價值。該教學模式充分凸顯學生的課堂主體地位，將課堂重難點問題化，以問題為課堂的核心，激發學生的求知欲，在引導學生解決實際問題的過程中，鍛煉學生的科學思維，提升動手實踐的能力，促進學生主動構建知識。生物學課堂中構建符合學生認知水平的主線式教學情境，不僅能激發學生學習興趣，讓學生更快地融入課堂，也能避免多情境導致學生思維的頻繁切換，提高情境的整體價值，真正做到情境服務于課堂，促進課堂教學效率的提高。

參考文獻

[1]李艷華.巧設主線化情境，發展生物學核心素養[J].生物學教學，2019，44（12）：17-19.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[3]章藹然.真實情境下問題驅動的高中生物學課堂教學實踐：以“蛋白質和核酸是重要的生物大分子”為例[J].中學生物學，2022，38（5）：34-36.

本文系莆田市教育科學“十四五”規劃2022年度課題“核心素養下生物高效課堂‘3+1’教學模式的實踐研究”（課題編號：No.PTJYKT22047）。