核心素養(yǎng)下高中生物模型探究教學(xué)的實(shí)踐與研究

夏瑞祥

[摘 要]以球棍模型串起“蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能”整節(jié)課，采用小組合作探究的學(xué)習(xí)方法，利用學(xué)習(xí)任務(wù)單層層推進(jìn)，旨在提高學(xué)生建構(gòu)模型、科學(xué)探究的能力，讓學(xué)生通過沉浸式體驗(yàn)和直觀觀察，充分理解并掌握這一課時(shí)的知識內(nèi)容。

[關(guān)鍵詞]核心素養(yǎng);模型探究;球棍模型

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2020）29-0088-03

生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在解決真實(shí)情境中的實(shí)際問題時(shí)所表現(xiàn)出來的價(jià)值觀念、必備品格與關(guān)鍵能力。學(xué)習(xí)是一種積極的過程，學(xué)習(xí)者在該過程中依靠自己現(xiàn)在和過去的知識建構(gòu)新的思想和概念。就教學(xué)而言，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生自己去探索原理。教師的任務(wù)是將學(xué)習(xí)信息轉(zhuǎn)換為適合學(xué)生目前理解狀態(tài)的格式[1]。

所謂“模型”就是模擬所要研究事物原型的結(jié)構(gòu)形態(tài)或運(yùn)動形態(tài)，是事物原型的某個表征和體現(xiàn)，同時(shí)又是事物原型的抽象和概括[2]。概念模型，如遺傳的分子基礎(chǔ)概念圖，可以幫助學(xué)生理解基因、RNA和蛋白質(zhì)間遺傳信息傳遞的過程;物理模型，如制作ATP結(jié)構(gòu)模型，可以幫助學(xué)生理解ATP、ADP以及AMP在結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系與區(qū)別;數(shù)學(xué)模型，如利用數(shù)學(xué)歸納法計(jì)算雜合子連續(xù)自交n代后雜合子、純合子的比例，可以幫助學(xué)生理解連續(xù)自交提高純合子比例的原理。教師不僅不能忽視生物模型的教學(xué)，還要深入挖掘生物模型對學(xué)生學(xué)習(xí)新知識、提高生物科學(xué)素養(yǎng)的輔助作用[3]。

球棍模型是一種空間填充模型，用來表現(xiàn)化學(xué)分子的三維空間分布。合理利用球棍模型能幫助學(xué)生認(rèn)識和理解分子的立體結(jié)構(gòu)，結(jié)合模型建構(gòu)、合作探究還能幫助學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的過程，為學(xué)生更好地理解“蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能”等生物學(xué)知識提供便利。

一、理論依據(jù)

1. 科學(xué)思維：模型與建模

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中指出：學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用……模型與建?！确椒ǎ接?、闡述生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會議題。

生物模型的構(gòu)建需要學(xué)生的主動思考和積極參與，它能夠幫助學(xué)生有效地梳理知識點(diǎn)間的關(guān)系，構(gòu)建出知識框架[4]。

2. 課程標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)建議：注意學(xué)科間的聯(lián)系

建構(gòu)球棍模型在化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用較廣，是高中化學(xué)的重要學(xué)習(xí)方法，生物課堂中以球棍模型開展教學(xué)未見相關(guān)研究?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：自然界是一個統(tǒng)一的整體，自然科學(xué)中的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等各門學(xué)科，其思想方法、基本原理、研究內(nèi)容有著密切的聯(lián)系。加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)、科學(xué)的思想方法和跨學(xué)科的科學(xué)概念和過程，有利于學(xué)生建立科學(xué)的生命觀，逐步形成正確的世界觀，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.科學(xué)探究

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對蘇教版教材第二章第二節(jié)《細(xì)胞中的生物大分子》的“蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能”的內(nèi)容要求是“闡明蛋白質(zhì)通常由20種氨基酸分子組成，它的功能取決于由氨基酸序列及其形成的空間結(jié)構(gòu)，細(xì)胞的功能主要由蛋白質(zhì)完成”。要讓學(xué)生充分理解并掌握這部分內(nèi)容有一定的難度，所以在教學(xué)實(shí)踐中，教師可以考慮采用小組合作探究的方式組織教學(xué)?！敖M織以探究為特點(diǎn)的主動學(xué)習(xí)是落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵”“學(xué)生應(yīng)在探究過程中，逐步增強(qiáng)對自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，提高實(shí)踐能力;在探究中，樂于并善于與團(tuán)隊(duì)合作，勇于創(chuàng)新”。

二、教學(xué)思路

“蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能”一課利用球棍模型進(jìn)行展示的同時(shí)，采用小組合作探究、任務(wù)驅(qū)動等教學(xué)模式，使學(xué)生從認(rèn)識氨基、羧基的球棍模型開始，認(rèn)識氨基酸的結(jié)構(gòu)，再通過組內(nèi)模擬脫水縮合，層層推進(jìn)，理解肽鍵結(jié)構(gòu)與肽鍵數(shù)、脫去的水分子數(shù)、氨基酸數(shù)以及肽鏈條數(shù)的關(guān)系，掌握蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量的計(jì)算方法;通過組間建構(gòu)的多肽鏈理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性，為理解蛋白質(zhì)功能的多樣性奠定基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)“結(jié)構(gòu)與功能觀”：結(jié)構(gòu)決定功能，功能與結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

課前將班級48人分成8組，每組6人，每組所需球、棍材料分發(fā)到位，每組根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)配置不同的表示R基的小球。課堂利用球棍模型，以6個活動遞進(jìn)式組織教學(xué)，主體教學(xué)思路如圖1所示。

三、 教學(xué)實(shí)施

組內(nèi)活動1：建構(gòu)氨基、羧基球棍模型（如圖2）

由于在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容時(shí)，高中有機(jī)化學(xué)的內(nèi)容尚未學(xué)習(xí)，學(xué)生缺乏相應(yīng)的知識基礎(chǔ)，故有必要讓他們先認(rèn)識一下不同顏色小球所代表的原子以及單鍵、雙鍵等。每組6位學(xué)生，每兩位學(xué)生建構(gòu)一個氨基和一個羧基，通過觀察，強(qiáng)調(diào)完整的氨基和羧基一定要有與其他部分相連的化學(xué)鍵。

設(shè)計(jì)意圖：認(rèn)識不同顏色小球所代表的原子;區(qū)分單鍵、雙鍵;認(rèn)識氨基、羧基的結(jié)構(gòu)，為學(xué)習(xí)氨基酸做好準(zhǔn)備。

組內(nèi)活動2：建構(gòu)氨基酸球棍模型

組內(nèi)每兩位學(xué)生在活動1中已建構(gòu)氨基和羧基，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)課本中氨基酸的結(jié)構(gòu)通式合作建構(gòu)一個氨基酸（其結(jié)構(gòu)如圖3所示）。

通過觀察小組內(nèi)建構(gòu)好的3個氨基酸，得出氨基酸的種類取決于可變的側(cè)鏈基團(tuán)R基;通過對球棍模型結(jié)構(gòu)的觀察，得出構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸的特點(diǎn)：至少含有1個氨基和1個羧基且連接在同1個碳原子上，也可以通過觀察得出氨基酸的元素組成，從而得出蛋白質(zhì)的元素組成。

設(shè)計(jì)意圖：認(rèn)識氨基酸結(jié)構(gòu);明確氨基酸種類的取決位置;觀察得出構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸的特點(diǎn);了解氨基酸、蛋白質(zhì)的元素組成。

組內(nèi)活動3：模擬脫水縮合，建構(gòu)二肽

氨基酸之間如何連接形成一條肽鏈?zhǔn)抢斫獍被嵝纬傻鞍踪|(zhì)過程的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過組內(nèi)合作，利用已經(jīng)建構(gòu)的2個氨基酸，并根據(jù)課本中的示意圖（如圖4）嘗試模擬脫水縮合的過程。

通過過程回顧，得出脫去的水分子中氧原子、氫原子的來源，直觀且令人印象深刻，羧基提供一個氧原子，氨基和羧基各提供一個氫原子。

肽鍵結(jié)構(gòu)的認(rèn)識也很關(guān)鍵，除了強(qiáng)調(diào)兩側(cè)的化學(xué)鍵以外，通過旋轉(zhuǎn)球棍模型，得出肽鍵的若干種書寫方法，但是旋轉(zhuǎn)并未改變原子間的連接方式，進(jìn)一步通過錯誤的書寫鞏固這個知識點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：理解脫水縮合的過程;明確脫去的水分子中氫、氧原子的來源;掌握肽鍵的結(jié)構(gòu)式特征及書寫。

組內(nèi)活動4：模擬脫水縮合，在活動3的基礎(chǔ)上建構(gòu)三肽

在二肽的基礎(chǔ)上，利用組內(nèi)的另一個氨基酸繼續(xù)脫水縮合形成三肽，得出多肽和肽鏈的概念;回顧整個過程，得出一條肽鏈中脫去的水分子數(shù)、肽鍵數(shù)、氨基酸數(shù)的關(guān)系：肽鍵數(shù) = 脫去的水分子數(shù) = 氨基酸數(shù)-1;觀察三肽的結(jié)構(gòu)，思考一條肽鏈中至少含有游離的氨基和羧基的數(shù)量，并結(jié)合R基，理解“至少”的含義，并得出蛋白質(zhì)中至少含有的游離的氨基和羧基的數(shù)量。

設(shè)計(jì)意圖：認(rèn)識多肽和肽鏈;厘清一條肽鏈中肽鍵數(shù)、脫去的水分子數(shù)、氨基酸數(shù)的關(guān)系;理解蛋白質(zhì)至少含有的游離的氨基、羧基數(shù)等于肽鏈條數(shù)。

組間活動1：以2、4、6、8組為單位，探究肽鍵數(shù)、脫去的水分子數(shù)、氨基酸數(shù)以及肽鏈條數(shù)的關(guān)系

2組為單位：共有6個氨基酸，形成2條肽鏈，脫去4個分子水，形成4個肽鍵。

4組為單位：共有12個氨基酸，形成4條肽鏈，脫去8個分子水，形成8個肽鍵。

6組為單位：共有18個氨基酸，形成6條肽鏈，脫去12個分子水，形成12個肽鍵。

8組為單位：共有24個氨基酸，形成8條肽鏈，脫去16個分子水，形成16個肽鍵。

通過以上分析，學(xué)生不難得出等式：肽鍵數(shù) = 脫去的水分子數(shù) = 氨基酸數(shù)-肽鏈條數(shù)。

同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考：已知氨基酸的個數(shù)、氨基酸的平均分子量和脫去的水分子數(shù)，如何計(jì)算蛋白質(zhì)的分子量？是不是直接用氨基酸的平均分子量×氨基酸的個數(shù)？由于前面的活動，學(xué)生已知該過程會脫去水分子，不難得出公式：蛋白質(zhì)的分子量 = 氨基酸的平均分子量×氨基酸的個數(shù)-脫去的水分子數(shù)×18。

設(shè)計(jì)意圖：采用數(shù)學(xué)歸納法，探究得出肽鍵數(shù)、脫去的水分子數(shù)、氨基酸數(shù)以及肽鏈條數(shù)的關(guān)系;掌握蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量的計(jì)算。

組間活動2：小組間合作，建構(gòu)六肽

通過第1組知第5組、第3組和第7組、第4組和第8組的比較得出：氨基酸種類不同，形成的肽鏈存在差異;通過第2組和第6組形成的六肽與第1組比較得出：氨基酸數(shù)目不同，形成的肽鏈存在差異;通過第3組、第7組以及第4組、第8組形成的六肽比較得出：氨基酸的排列順序不同，形成的肽鏈也存在差異;根據(jù)第3、4;7、8組形成的兩個六肽構(gòu)成的蛋白質(zhì)和單獨(dú)的一條形成的蛋白質(zhì)相比較得出：肽鏈條數(shù)不同，蛋白質(zhì)也存在差異。

再結(jié)合肽鏈的盤曲折疊得出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因：氨基酸的種類、數(shù)目、排列順序以及多肽鏈的條數(shù)和空間結(jié)構(gòu)的不同。

設(shè)計(jì)意圖：闡明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因，為解釋蛋白質(zhì)功能多樣性做準(zhǔn)備。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課充分體現(xiàn)了新課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力、提高學(xué)生科學(xué)探究能力的要求，并結(jié)合了“注重學(xué)科間的聯(lián)系”這一建議，引導(dǎo)學(xué)生小組合作探究模型建構(gòu)，并在教師的指導(dǎo)和學(xué)習(xí)任務(wù)單的指引下自主探究，提高了實(shí)踐能力，激發(fā)了生物學(xué)科學(xué)習(xí)興趣，充分體現(xiàn)了學(xué)生的課堂主體地位。直觀的球棍模型，讓學(xué)生充分體會和領(lǐng)悟到生物學(xué)的本質(zhì)與規(guī)律，加深學(xué)生對氨基酸相關(guān)知識以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解。

模型建構(gòu)、跨學(xué)科教學(xué)、小組合作、探究學(xué)習(xí)都不只是生物教學(xué)中追求的一種簡單形式，這些都應(yīng)是發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的“工具”。模型建構(gòu)，可化抽象為直觀，便于闡釋生命現(xiàn)象和規(guī)律，在建構(gòu)模型的過程中發(fā)展科學(xué)思維;跨學(xué)科教學(xué)，從另一視角，采用新的方法策略學(xué)習(xí)生物課程，有利于學(xué)生理解跨學(xué)科的概念和過程，便于學(xué)生形成唯物主義、科學(xué)的生命觀念;小組合作、探究學(xué)習(xí)相關(guān)形式的設(shè)置，必須有實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，要做到“真合作”“真探究”，教師的適度放手，最大限度地發(fā)揮了學(xué)生的自主性，逐步提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

在模型探究教學(xué)實(shí)踐中，只有選擇好“工具”，巧妙設(shè)計(jì)，有機(jī)融合，才能更好地發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 高文，徐斌艷， 吳剛.建構(gòu)主義教育研究[M].北京：教育科學(xué)出版社，2008.

[2]? 汪忠.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·生物必修1：分子與細(xì)胞[M].南京：鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)，2011.

[3]? 陳敏.從能量流動模型看高中生物模型教學(xué)中的誤區(qū)[J].中學(xué)生物學(xué)，2017（11）：8-10.

[4]? 官仕坤.對高中生物模型教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].中學(xué)生物教學(xué)， 2018（4）：37-38.

（責(zé)任編輯 黃春香）