境脈視閾下高中生物學專題復習教學實踐

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》以下簡稱《課程標準》指出，生物學學科核心素養是學生在解決真實情境中的實際問題時所表現出來的價值觀念、必備品格與關鍵能力。真實情境是連接現實生活和學科領域的橋梁，為學生內化與應用生物學學科核心素養提供了載體。“境脈”包括“情境”與“脈絡”，教師將“境脈\"理念引入專題復習教學，創設貫穿復習課始終的整體情境，并根據復習內容構建出連續、動態的子情境，進而衍生出相互關聯的任務。學生可以在真實情境中通過多樣化的學習活動完成概念體系的自主構建，進而發展生物學學科核心素養。

1教學內容分析及教學設計思路

“蛋白質\"專題復習主要包括蛋白質的結構與功能、基因表達、蛋白質與性狀的關系、基因工程、蛋白質工程以及蛋白質與生物進化等內容。在進行專題復習前，學生已經完成了所有必修和選擇性必修教材內容的學習，故教師應打破教材間界限，將教材中所有與蛋白質有關的概念集中起來，尋找概念之間的內在聯系并據此進行教學，具體專題復習知識結構如圖1所示。

本專題選擇“2021年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者發現辣椒素受體蛋白——TRPV1\"作為專題大情境，聯系高中所學知識，創設與TRPV1有關的若干子情境，并以各子情境為載體設計相應的任務與學習活動，讓學生在連續、動態的子情境中解決實際問題并自主構建蛋白質相關知識體系，進而鞏固生命觀念、鍛煉科學思維、提升科學探究能力、提高社會責任意識，最終實現生物學學科核心素養的發展，具體專題復習教學設計思路如圖2所示。

2教學目標

筆者基于《課程標準》中的內容要求、學業要求和學業質量標準，圍繞培養學生生物學學科核心素養的要求，制定了如下教學目標。

（1）形成生命觀念：通過分析辣覺感知過程中TRPV1的功能與其結構模式圖，說明蛋白質的結構與功能相適應；通過分析不同物種TRPV1氨基酸序列的一致性，說明蛋白質與生物進化之間的關聯。

（2）發展科學思維：結合基因表達相關知識和膜蛋白合成過程圖，歸納TRPV1的合成、加工與運輸過程；結合關節炎引發慢性疼痛的分子機制，提出以TRPV1為靶點的鎮痛藥物設計思路；分析兩種細胞的基因和蛋白質，說明細胞分化的原因；分析轉基因小鼠的TRPV1結構和性狀，闡述基因對生物性狀的控制途徑。

（3）體驗科學探究：通過小組合作，結合基因工程和蛋白質工程相關知識，設計實驗尋找TRPV1基因并確定TRPV1與辣椒素的結合位點；將預期實驗結果與實際實驗結果進行比較，得出合理的實驗結論。

（4）增強社會責任意識：關注各類疾病帶來的疼痛問題；根據TRPV1相關知識探討并評價某些藥物鎮痛的局限性。

3教學過程

教師播放人們食用辣椒的視頻，引出專題大情境：2021年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者發現辣椒素受體蛋白—TRPV1。學生據此自主提出專題復習核心問題：TRPV1如何發揮感知辣的功能？TR-PV1結構如何？科學家是如何發現TRPV1的？細胞如何合成TRPV1？不同物種的TRPV1是否相同？研究TRPV1有何意義？

3.1子情境1- -TRPV1的結構與功能

教師呈現TRPV1參與的辣覺感知機制圖示（見圖3）及TRPV1結構示意圖（見圖4），引導學生思考并完成以下活動。

活動1：該過程體現了TRPV1的什么功能？蛋白質功能具有什么特點？TRPV1功能與什么密切相關？

活動2： ① 寫出R基為和 的2個氨基酸脫水縮合形成二肽的反應式并標出肽鍵； ② 據圖思考TRPV1結構是如何與功能相適應的？

3.2子情境2- -TRPV1的基因及表達

除TRPV1外，生物體中還存在許多結構、功能各不相同的蛋白質，蛋白質結構多樣性與編碼蛋白質的基因多樣性有關，每種蛋白質都存在著控制其合成的特定基因。教師據此提出問題：控制TRPV1合成的基因是什么？

已知TRPV1的作用機制是與辣椒素特異性結合后促進 進入細胞，而 能結合Fura-2染料并使活細胞發出熒光，這種熒光可被儀器檢測到。教師提供對辣椒素有反應的背根神經節神經元的cD-NA文庫（約含16000個克隆）、HEK293細胞（對辣椒素無反應的人胚胎腎細胞）、熒光檢測設備（可檢測活細胞內的熒光動態變化）、Fura-2染料、辣椒素、細胞培養液等實驗材料及轉基因實驗所需的儀器，并引導學生利用所提供材料與儀器完成以下活動。

活動3：小組合作，設計實驗，寫出尋找TRPV1基因的實驗思路，并討論交流。

小組交流、討論和相互評價后，教師總結實驗思路：將背根神經節神經元的cDNA分別導人HEK293細胞中，用辣椒素刺激導入基因的HEK293細胞，用Fura-2染料處理細胞并用熒光檢測設備檢測細胞內熒光強度的變化。有熒光反應的HEK293細胞體內導人的cDNA即為TRPV1基因的cDNA（見圖5）。經后續研究，科學家發現人類TRPV1基因位于17號染色體上，是一段包含50966個堿基對的DNA片段。

學生完成活動3后，教師提問：“TRPV1基因是如何表達的？\"并引導學生完成以下活動。

活動4：回顧基因表達相關知識并嘗試構建示意圖，結合活動3的實驗思路繪制示意圖，說明TRPV1在背根神經節細胞內的合成、加工與運輸過程。

小組交流、討論和相互評價后，教師用流程圖總結TRPV1基因表達及TRPV1的加工和運輸過程。

3.3子情境3—兩種細胞的基因與蛋白質

教師呈現背根神經節細胞和胰島B細胞兩種細胞含有的部分基因和蛋白質（見表1），引導學生完成以下活動。

活動5：兩種細胞中的蛋白質不完全相同的根本原因是什么？這與細胞分化有什么關聯？

3.4子情境4 -TRPV1與慢性炎癥痛

教師呈現相關資料：TRPV1與關節炎引起的慢性炎癥痛有密切關系（見圖6，并引導學生完成以下活動。

活動6：從TRPV1角度為研制緩解慢性炎癥痛的藥物提供思路，并嘗試評價藥物的優勢與局限性。

好效果，如膏藥中的大黃素可以通過下調TRPV1基因的表達起到止痛作用。[4]

3.5子情境5——人類TRPV1突變基因敲入小鼠

教師呈現資料：TRPV1作為產生疼痛感覺的重要蛋白，是鎮痛藥物研發的重要靶點之一。但目前部分以TRPV1為靶點的鎮痛藥物完全抑制了TR-PV1的功能，這雖然能使機體疼痛敏感性下降，但由于TRPV1還是感受高溫刺激的重要蛋白，故完全抑制TRPV1功能的藥物會嚴重影響機體體溫調節。

教師提出問題：是否存在方法使該類藥物既能緩解疼痛又不影響體溫調節？TRPV1結構中感受疼痛的位點是什么？

教師呈現資料：鳥類是恒溫動物，愛吃辣椒，科學家推測鳥類TRPV1結構中感受疼痛的區域存在特殊性。科學家分析比較了人類與鳥類的TRPV1基因序列，利用計算機模擬技術在鳥類TRPV1門控區域內發現了一種人類TRPV1基因在K71O區域的錯義突變，科學家推測可能能夠通過模擬這種突變幫助人類實現正常調節體溫的同時降低對辣椒素的敏感性。

教師基于上述資料提出問題：“這種突變是否能使哺乳動物實現正常調節體溫，同時降低對辣椒素的敏感性？”并引導學生完成以下活動。

活動7：結合蛋白質工程相關知識用流程圖表示實驗基本思路。

小組交流、討論和相互評價后，教師呈現真實實驗結果：科學家用CRISPR/Cas-9基因編輯技術改造小鼠TRPV1基因，構建人類TRPV1K710N基因，敲入小鼠后發現轉基因小鼠的TRPV1蛋白K710位點的結構與野生型小鼠不同，小鼠在辣椒素刺激下細胞 內流顯著減少，對慢性疼痛敏感性也顯著減弱，但體溫正常（見圖7）。5

根據上述結果，學生得出結論：K710是決定TRPV1感受疼痛的關鍵位點，若僅限制TRPV1的K710位點，則可以減輕疼痛但不影響該受體的其他正常功能，這為鎮痛藥物的研發提供了新的思路。學生進一步分析實驗結果并完成以下活動。

活動8： ① 轉基因小鼠的TRPV1結構發生改變，導致小鼠對疼痛敏感性下降，這個過程中基因是如何控制生物性狀的？ ② 除此之外，基因控制生物性狀的途徑還有哪些？

3.6子情境6 一不同物種的TRPV1比較

教師呈現不同物種TRPV1同源性分析結果（見表2）和不同物種TRPV1系統發育樹（見圖8），并引導學生完成下列活動。

活動9： ① 思考人與其他生物的親緣關系，并分析從TRPV1相關資料中可以得出什么結論； ② 思考這些數據是否能夠支持生物有共同起源。

4教學效果與反思

本復習專題利用科學研究和實際生活素材創設情境，提高學生對復習課的學習興趣，有效避免復習課情境的斷裂與知識的碎片化。這不僅有助于學生思維的連貫和深人，更提升了教學的整體性和結構性。同時，本專題通過子情境和活動激發學生的求知欲，引導學生在思考、構建和探究活動中進行主動學習和概念構建，幫助學生加深對重要概念理解的寬度和深度。境脈視閾下的專題復習借助流動的境脈給予學生更多運用生物學知識解決實際問題的機會，有助于提升學生的生物學學科核心素養。

由于某些子情境較為復雜、復習內容跨度大、知識相互關聯緊密，學生在完成學習活動時需要較長的思考時間，可能會影響課堂效率。因此，教師在加工情境素材時需充分考慮情境資料的精簡性和可讀性，在設計學習活動和問題時也要考慮到活動的啟

發性和問題的層次性。

參考文獻

[1]孫鵬，管旭，徐捷，等.生物學核心素養評價研究與實踐[M.北京：北京出版社，2021：10.

[2]何新雨，馬茜鈺，黃亞曉，等.辣椒素受體與心血管疾病相關研究進展[J].中國心血管病研究，2022，20（8）：745-751.

[3楊然，王任翔，吳海鋒.以“溫度感受器的發現”為背景的原創試題命制[J].生物學教學，2023，48（1）：69-71.

[4武元群.狗皮膏中部分藥物對TRPV1受體通道表達影響及其鎮痛作用的研究進展[J].科學技術創新，2019（14）：15-17.

[5]HES，ZAMBELLIVO，SINHAROYP，etal. Ahuman TRPV1genetic variant within the channel gating domain regulates painsensitivityinrodents[J].The Journal of Clinical Investigation.2023，133（3）：e163735.

[6]王桂志，張永，張弛，等.獨角雪冰魚和伯氏肩孔南極魚TRPV1基因的克隆及低溫適應功能檢測[J].大連海洋大學學報，2016，31（2）：124-130.