基于問題情境的教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：本文以“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”一節(jié)為例，借助胰島素注射液說明書創(chuàng)設(shè)問題情境，通過對(duì)胰島素及其功能的介紹、蛋白質(zhì)基本單位及形成過程、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系、蛋白質(zhì)相關(guān)科學(xué)史的學(xué)習(xí)四個(gè)主要教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生社會(huì)責(zé)任意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生自主歸納知識(shí)體系，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；科學(xué)史；教學(xué)設(shè)計(jì)；高中生物學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）08-0013-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的承擔(dān)者”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第2章第4節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容主要包括“蛋白質(zhì)的基本單位是氨基酸”“氨基酸的基本結(jié)構(gòu)及其脫水縮合過程”和“蛋白質(zhì)的功能及其多樣性”三個(gè)部分，既是對(duì)

所學(xué)內(nèi)容

“組成細(xì)胞的分子”的延伸，又為學(xué)生接下來學(xué)習(xí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、物質(zhì)運(yùn)輸和酶等相關(guān)內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

由于高一學(xué)生不具備有機(jī)化學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，且抽象思維和空間想象能力不足，因此，氨基酸的結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)形成過程是本節(jié)教學(xué)的重難點(diǎn)。基于學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平，本節(jié)教學(xué)首先通過胰島素注射液的說明書創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。接著教師在探究活動(dòng)中借助構(gòu)建模型、模擬實(shí)驗(yàn)、思考討論等方式，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐過程中歸納知識(shí)體系，深化重要概念理解，提升科學(xué)思維能力，初步形成結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的生命觀念。［2］最后，教師引導(dǎo)學(xué)生通過生物科學(xué)史感悟中國(guó)科學(xué)家的精神品質(zhì)，獲得民族自豪感，培育家國(guó)情懷和社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過“識(shí)模—建模—用模”過程，了解氨基酸結(jié)構(gòu)、理解蛋白質(zhì)形成過程及其結(jié)構(gòu)與功能的多樣性，同時(shí)培養(yǎng)自身的歸納、分析能力，發(fā)展科學(xué)思維。

（2）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和觀察思考，能夠說出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，歸納、總結(jié)蛋白質(zhì)的重要功能，認(rèn)同蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，初步形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

（3）通過重溫“胰島素的人工合成”科學(xué)史，培養(yǎng)自身的民族自豪感和社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

3 教學(xué)過程

3.1 以“書”激趣，初識(shí)胰島素及其功能

教師分發(fā)胰島素注射液說明書并播放糖尿病科普視頻，據(jù)此提出問題：結(jié)合說明書中“成分”“適應(yīng)癥”“過量使用”三個(gè)欄目中的信息，推測(cè)島素的化學(xué)本質(zhì)是什么？其生物學(xué)功能是什么？經(jīng)過討論，學(xué)生一致認(rèn)為胰島素是一種蛋白質(zhì)，具有降低血糖的生物學(xué)功能，可以用于治療糖尿病。

教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生閱讀說明書“用法用量”欄目中的信息，并提出問題：結(jié)合初中生物學(xué)的消化和吸收相關(guān)知識(shí)，解釋為什么胰島素不能口服？學(xué)生經(jīng)過討論后得出，胰島素的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，在人體消化系統(tǒng)中會(huì)被消化分解成氨基酸，從而失去其生物學(xué)功能。

教師呈現(xiàn)胰島素的空間結(jié)構(gòu)示意圖（見圖1）并進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考問題：胰島素的基本單位是什么？其基本單位的數(shù)量和種類分別是多少？其基本單位的化學(xué)結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？胰島素的形成過程是怎樣的？經(jīng)過分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)胰島素由16種共計(jì)51個(gè)氨基酸組成，但無法準(zhǔn)確回答胰島素基本單位的化學(xué)結(jié)構(gòu)，教師順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入活動(dòng)探究環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)意圖：教師在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，利用說明書和相關(guān)視頻創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師設(shè)置適當(dāng)?shù)膯栴}串，調(diào)動(dòng)學(xué)生科學(xué)思維，引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)胰島素的化學(xué)本質(zhì)及其基本單位，再通過較難的問題引發(fā)認(rèn)知沖突，進(jìn)而展開氨基酸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和蛋白質(zhì)形成過程的教學(xué)。

3.2 以“模”助學(xué)，再探蛋白質(zhì)基本單位及形成過程

教師從胰島素序列中隨機(jī)挑選6種氨基酸并展示其結(jié)構(gòu)式，引導(dǎo)學(xué)生完成以下任務(wù)：根據(jù)氨基酸的元素組成，推測(cè)組成胰島素的主要元素；圈出6種氨基酸不同部分并統(tǒng)一用字母R表示，嘗試寫出氨基酸的結(jié)構(gòu)通式；根據(jù)氨基酸結(jié)構(gòu)通式，歸納氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于學(xué)生不具備有機(jī)化學(xué)相關(guān)知識(shí)，因此在活動(dòng)結(jié)束后，教師再利用立體模型對(duì)氨基和羧基的結(jié)構(gòu)式和分子式、中心碳原子、基團(tuán)的空間位置以及組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸種類等相關(guān)問題進(jìn)行答疑。

教師利用卡片演示兩個(gè)氨基酸的連接過程：將兩個(gè)氨基酸卡片靠近，把第一個(gè)氨基酸羧基中的“—OH”和第二個(gè)氨基酸氨基中的“—H”內(nèi)折，即脫去一個(gè)分子水，再把兩張卡片折痕處的化學(xué)鍵拼在一起，新形成的化學(xué)鍵即肽鍵。基于演示過程，教師引導(dǎo)學(xué)生完成以下任務(wù)：分別拼裝出3～6個(gè)氨基酸脫水縮合的產(chǎn)物，并標(biāo)注肽鍵位置（見圖2）。學(xué)生歸納每個(gè)模型的名稱、氨基酸數(shù)、肽鍵數(shù)、脫水?dāng)?shù)、游離氨基數(shù)、游離羧基數(shù)并總結(jié)其規(guī)律，并完成表格填寫（見表1）。

探究活動(dòng)結(jié)束后，教師展示胰島素和四種蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)模型，并提出以下問題：51個(gè)氨基酸縮水縮合形成的兩條多肽是否就是胰島素？從結(jié)構(gòu)上判斷，兩者之間最大的區(qū)別在哪？組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸只有21種，但形成的蛋白質(zhì)卻有成千上萬種之多，請(qǐng)闡述具體原因。

學(xué)生經(jīng)過觀察和分析后一致認(rèn)為：多肽鏈要經(jīng)過盤曲、折疊形成特定的空間結(jié)構(gòu)才能成為蛋白質(zhì)；氨基酸的種類、數(shù)目、排列順序及肽鏈的空間結(jié)構(gòu)不同是導(dǎo)致蛋白質(zhì)具有多樣性的直接原因。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過書寫氨基酸結(jié)構(gòu)式，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)氨基酸的元素組成、結(jié)構(gòu)通式以及種類，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生歸納、分析的綜合能力。教師通過構(gòu)建脫水縮合模型并分析規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生理解多肽的形成過程，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察圖片并分析、歸納蛋白質(zhì)的形成過程及其具有多樣性的原因。

3.3 以“觀”促思，洞察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系

教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生閱讀說明書“貯藏”欄目中的相關(guān)信息，并提出問題：胰島素注射液儲(chǔ)存不當(dāng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么變化？原因是什么？是否還能使用？經(jīng)過討論，學(xué)生一致認(rèn)為出現(xiàn)微小團(tuán)塊的注射液應(yīng)丟棄，但是學(xué)生普遍對(duì)于注射液中出現(xiàn)微小團(tuán)塊的原因感到疑惑。教師引導(dǎo)學(xué)生完成胰島素的變性實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生解決問題。

教師提供實(shí)驗(yàn)材料并要求學(xué)生完成以下任務(wù)：給四支試管分別編號(hào)ABCD，四支試管都加入10mL胰島素注射液并依次在A試管加入5mL酒精并攪拌，在B試管加入5mL白醋并攪拌，C試管用酒精燈加熱，在D試管加入5mL生理鹽水，觀察試管中的變化。

教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生思考：注射液的主要成分是什么？三支試管中的白色絮狀物可能是什么物質(zhì)？導(dǎo)致試管中物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的原因是什么？

經(jīng)過討論，學(xué)生一致認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中的高溫、酸、酒精等條件使注射液中的蛋白質(zhì)發(fā)生了結(jié)構(gòu)改變。教師進(jìn)一步作出補(bǔ)充：這種改變其實(shí)是蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，生物學(xué)上稱之為變性，變性后的蛋白質(zhì)失去了原本的生物學(xué)功能。

教師繼續(xù)提問：變性后的蛋白質(zhì)是否還能用雙縮脲試劑檢測(cè)？學(xué)生向三支試管中滴加雙縮脲試劑并觀察結(jié)果（見圖3）。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教材內(nèi)容自主歸納總結(jié)。最后得出結(jié)論：蛋白質(zhì)參與了人體結(jié)構(gòu)、催化、運(yùn)輸、免疫和調(diào)節(jié)等多項(xiàng)生命活動(dòng)，因此蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。

設(shè)計(jì)意圖：教師基于學(xué)生對(duì)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的理解，通過設(shè)計(jì)胰島素變性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠直觀地觀察到蛋白質(zhì)在不同條件下的結(jié)構(gòu)變化，有助于學(xué)生理解蛋白質(zhì)變性的主要因素、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的功能關(guān)系，從而培養(yǎng)學(xué)生初步形成結(jié)構(gòu)與功能觀。學(xué)生通過閱讀教材，歸納概括出蛋白質(zhì)的主要功能，認(rèn)同蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。這一過程能夠深化學(xué)生對(duì)蛋白質(zhì)功能的理解，從而進(jìn)一步提升其科學(xué)思維品質(zhì)。

3.4 以“史”話人，強(qiáng)化學(xué)生社會(huì)責(zé)任意識(shí)

教師提供科學(xué)史資料：新中國(guó)成立后，年輕的中國(guó)科學(xué)家們從零開始，自己合成所需原料，整個(gè)研究的條件十分艱苦，但最終獲得成功。接著教師播放“完美結(jié)晶：人工合成牛胰島素”視頻片段，幫助學(xué)生深入了解生物科學(xué)史。學(xué)生通過對(duì)科學(xué)史的學(xué)習(xí)，感受到中國(guó)科學(xué)家不懼困難、團(tuán)結(jié)協(xié)作、無私奉獻(xiàn)、為國(guó)爭(zhēng)光的精神。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過重溫教材中的科學(xué)史，結(jié)合并呼應(yīng)情境主線，旨在提高學(xué)生對(duì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)注度。在問題的探討過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生感悟社會(huì)主義核心價(jià)值觀，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任意識(shí)。學(xué)生通過感悟科學(xué)家們的探索精神、創(chuàng)新能力以及為社會(huì)做出的貢獻(xiàn)，意識(shí)到科技強(qiáng)國(guó)的意義和社會(huì)責(zé)任感，最終落實(shí)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課基于胰島素注射液說明書創(chuàng)設(shè)問題情境，通過以“書”激趣，以“模”助學(xué)，以“觀”促思，以“史”話人的教學(xué)環(huán)節(jié)，合理重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)順序。該教學(xué)設(shè)計(jì)旨在引導(dǎo)學(xué)生深入理解本節(jié)課程的重難點(diǎn)內(nèi)容，構(gòu)建重要概念，同時(shí)發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。在教學(xué)中，教師既要把控好各環(huán)節(jié)的時(shí)間分配和流程管理，又要保證每個(gè)活動(dòng)能達(dá)到預(yù)期目的，進(jìn)而全面提升學(xué)生的參與度與獲得感。從而在提升學(xué)生的學(xué)科知識(shí)和技能的同時(shí)，也關(guān)注學(xué)生的個(gè)人成長(zhǎng)和社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］欒璐.巧用物理模型 突破生物學(xué)教學(xué)難點(diǎn)［J］.中學(xué)生物學(xué)，2022，38（1）：38-39+42.