5E 教學模式視角下的高中生物學建模教學
——以“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者”教學為例

周月梅

（龍海第一中學，福建 龍海 363102）

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》明確指出“模型與建模”是重要的科學思維方法，要求學生學會運用“模型與建?！碧接?、闡釋生命現(xiàn)象及其規(guī)律，解決真實情境中有關(guān)生物學問題，提升科學思維能力，發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)。［1］5E 教學模式是基于社會建構(gòu)主義理論的一種探究學習模式，一般由吸引、探究、解釋、遷移及評價等5 個環(huán)節(jié)組成，有助于學生構(gòu)建科學概念及概念體系，促進學生主動參與科學探究及實踐活動，發(fā)展演繹、歸納、概括、建模、批判性思維及創(chuàng)造性思維等科學思維能力。［2］根據(jù)5E 教學模式及其教學要求，筆者嘗試在高中生物學教學中開展建模教學實踐與研究，現(xiàn)以2019 年版人教社《生物學·必修1·分子與細胞》第2 章第4 節(jié)“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者”教學為例，探索5E 教學與建模教學有機結(jié)合路徑。

一、創(chuàng)設“吸引”學生學習的問題情境

“吸引”是5E 教學模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求教師創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生的學習興趣及探究欲望，為“探究”環(huán)節(jié)奠定學習基礎。

“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者”這節(jié)課的導入環(huán)節(jié)，首先，創(chuàng)設問題情境“為什么《中國居民膳食指南（2016 年版）》推薦每天都要吃一顆雞蛋？你知道雞蛋蛋白質(zhì)進入人體消化道后經(jīng)歷了哪些變化？蛋白質(zhì)是以何種形式進入人體細胞內(nèi)的？”指導學生觀察消化系統(tǒng)示意圖及消化腺示意圖，復習有關(guān)蛋白質(zhì)消化等知識，了解攝入的雞蛋蛋白質(zhì)進入消化道后，經(jīng)過胃蛋白酶、小腸中胰蛋白酶、胰肽酶等多種酶的作用，形成蛋白質(zhì)的基本單位氨基酸后才能被人體細胞吸收。進一步創(chuàng)設問題情境“蛋白質(zhì)具有哪些功能？為何說蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者？”引導學生開始本節(jié)有關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能知識的學習。

根據(jù)5E 教學模式“吸引”環(huán)節(jié)的教學要求，創(chuàng)設與現(xiàn)實生活密切相關(guān)的問題情境，引導學生利用有關(guān)蛋白質(zhì)消化等知識，初步建立“氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位”的認識，激發(fā)學生產(chǎn)生探究“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能”的好奇心及興趣。

二、應用模型開展建模“探究”

“探究”是5E 教學模式的主體環(huán)節(jié)，根據(jù)教學目標引導學生進行探究，要求學生觀察現(xiàn)象，識別變量，透過現(xiàn)象總結(jié)生物學本質(zhì)規(guī)律。

首先，創(chuàng)設問題情境：為什么蛋白質(zhì)的基本單位叫氨基酸，其結(jié)構(gòu)有何特點？人體從雞蛋中獲取的氨基酸又是如何在細胞內(nèi)合成功能如此多樣的蛋白質(zhì)？接著，組織學生圍繞氨基酸的結(jié)構(gòu)、多肽合成過程及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性等開展小組合作建模探究活動。

（一）建構(gòu)氨基酸結(jié)構(gòu)模型

教師展示球棍模型，并簡要解釋其使用方法，要求學生嘗試建構(gòu)水（H2O）、氨氣（NH3）、甲烷（CH4）等球棍模型。再引導學生類比構(gòu)建氨基（-NH2）、羧基（-COOH）等化學基團模型，并要求學生構(gòu)建甘氨酸和丙氨酸等氨基酸模型（圖1），比較分析甘氨酸和丙氨酸結(jié)構(gòu)異同點，理解氨基酸是由碳原子構(gòu)成的碳鏈為基本骨架的單體，得出氨基酸結(jié)構(gòu)通式。

圖1 甘氨酸（左）和丙氨酸（右）球棍模型

（二）建構(gòu)二肽結(jié)構(gòu)模型

指導學生觀看有關(guān)氨基酸“脫水縮合”的視頻，促進學生直觀地認識多肽合成過程。接著，讓學生利用已經(jīng)構(gòu)建成功的甘氨酸和丙氨酸球棍模型，建構(gòu)二肽結(jié)構(gòu)模型（圖2），探究脫水縮合過程產(chǎn)生的水分子分別來自氨基酸的哪個基團？從而形成脫水縮合、肽鍵、二肽等概念。并指導學生利用有關(guān)化學知識比較分析二肽模型的氨基端和羧基端，讓學生明確同樣兩種氨基酸，若排列順序不同，則所形成的二肽是不同，為后續(xù)分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因奠定基礎。

圖2 二肽球棍模型

（三）建構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類比模型

以紐扣模擬氨基酸、軟鐵絲模擬肽鍵及紐扣串模擬肽鏈，使得上述球棍模型進一步簡化為紐扣串實物模型。每一小組分發(fā)4 條紐扣串，其中一條是由8 個紅紐扣串成，兩條分別由3 個藍色、3 個黑色、2 個紅色鈕扣串成，還有一條則隨機由大小不同、顏色不同的11 個紐扣串成。首先，要求學生比較分析四條紐扣串的紐扣種類、數(shù)目及其排列順序，以此構(gòu)建蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)類比模型（圖3）。再讓學生根據(jù)自己的意愿把一條或多條紐扣串折疊形成不同的紐扣團，應用這些紐扣團建構(gòu)蛋白質(zhì)復雜的空間結(jié)構(gòu)模型，促進學生直觀地認識蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性。

圖3 蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)類比模型

根據(jù)5E 教學模式“探究”環(huán)節(jié)的教學要求，應用化學球棍模型、生活實物及一系列遞進式問題情境，指導學生開展三個循序漸進的建模探究活動，幫助學生直觀、感性地認識氨基酸結(jié)構(gòu)、多肽合成過程以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性，在質(zhì)疑、釋疑與評價中，建立與理解有關(guān)氨基酸、脫水縮合、多肽、蛋白質(zhì)等生物學重要概念，提升歸納與概括、分析與綜合能力。

三、在“解釋”中理解生物學概念

“解釋”是5E 教學模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引導學生解釋探究過程及探究結(jié)果是本環(huán)節(jié)的重點。課堂教學時，有機結(jié)合建模探究、解釋及評價等環(huán)節(jié)，促進學生深度學習，有助于學生正確理解科學概念。

例如，建構(gòu)氨基酸結(jié)構(gòu)模型時，要求學生展示、分析及相互評價各組建構(gòu)的模型，引導學生求同歸納氨基酸結(jié)構(gòu)通式，解釋構(gòu)成生物體的氨基酸有21 種的原因是R 基的不同而導致的。同時，教師重點強調(diào)氨基酸至少皆含有一個氨基（-NH2）及一個羧基（-COOH）。建構(gòu)二肽模型時，將學生構(gòu)建的典型的二肽模型拍成視頻，應用“希沃小助手”軟件分享給全班學生，并要求學生解釋：氨基酸的排列順序是否是固定的？生成的水到底是由什么基團提供的？糾正學生有關(guān)氨基酸的結(jié)構(gòu)特點、氨基酸的序列、蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象等錯誤認識，促進學生認識到兩種氨基酸無論如何排序。只要找準化學基團就能構(gòu)建二肽，若兩小組相互配合則能成功構(gòu)建四肽，以此類推可以構(gòu)建多肽鏈。建構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類比模型時，要求學生觀察教科書中的“由氨基酸形成血紅蛋白的示意圖”，并結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類比模型解釋細胞合成蛋白質(zhì)的過程是：氨基酸脫水縮合形成具有一定氨基酸（殘基）排列順序的肽鏈，構(gòu)成蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，肽鏈折疊或螺旋構(gòu)成蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，具有二級結(jié)構(gòu)的肽鏈借助二硫鍵、氫鍵等化學鍵進一步折疊、卷曲形成更復雜的三級結(jié)構(gòu)，如肌紅蛋白，由多個三級結(jié)構(gòu)相互結(jié)合形成更復雜的空間構(gòu)象——四級結(jié)構(gòu)，如血紅蛋白。并讓學生明確蛋白質(zhì)多樣性的原因是：組成蛋白質(zhì)的氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序不同，以及肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結(jié)構(gòu)不同。

根據(jù)5E 教學模式“解釋”環(huán)節(jié)的教學要求，創(chuàng)設問題情境，引導學生展示模型、解釋建模探究結(jié)果，促進學生通過建模及生物學事實，探討與闡釋有關(guān)生命現(xiàn)象。同時，教師糾正學生解釋過程中暴露的前科學概念，解決學生建模探究過程中生成的問題，及時調(diào)整教學策略，提高建模教學的有效性與針對性。［3］

四、在“遷移”應用中形成生命觀念

“遷移”環(huán)節(jié)要求教師引導學生通過實踐與練習，加深對概念的理解與應用，促進學生形成生命觀念。

例如，通過有關(guān)腦啡肽結(jié)構(gòu)與功能習題的練習，促進學生進一步理解氨基酸、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，形成有關(guān)氨基酸、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念模型。并要求學生分析有關(guān)資料：1.血紅蛋白中的纈氨酸取代了谷氨酸，使得紅細胞扭曲成鐮刀狀，運輸氧的能力大為削弱。2.雞蛋煮熟后，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)伸展與松散，使得雞蛋再也不能孵化出小雞。嘗試解釋：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能有什么關(guān)系？促進學生明確：每種蛋白質(zhì)分子皆具有與其所承擔功能相適應的結(jié)構(gòu)，若改變氨基酸序列或者是蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，就會影響其功能，即蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的功能。進一步指導學生閱讀教科書有關(guān)“蛋白質(zhì)的功能舉例”，深刻理解蛋白質(zhì)多樣性功能與其結(jié)構(gòu)多樣性是密切相關(guān)的，認同“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者”。

通過當堂練習及資料分析，促進學生在新的問題情境中遷移、應用所學的生物學概念，嘗試解決實際問題或者解釋有關(guān)生命現(xiàn)象，形成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性決定其功能多樣性，即有關(guān)“結(jié)構(gòu)與功能相適應”的生命觀念。［4］

五、以概念模型助力交流與“評價”

“評價”環(huán)節(jié)應用綜合問題或開放性問題檢測、反饋學生對新知識的理解與應用情況，促進師生雙方在交流與評價過程中，發(fā)現(xiàn)、改進教與學中存在的問題。

例如，要求學生以蛋白質(zhì)、氨基酸、脫水縮合等生物學概念，建構(gòu)“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系”概念模型（圖4），幫助學生在感性認識的基礎上，通過反思、完善與修正模型，建構(gòu)有關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能概念體系，同時學會建模方法。并要求學生應用所學知識評價：民間“吃啥補啥”或“以形補形”的說法正確與否。促進學生靈活應用生物學概念及生命觀念解決現(xiàn)實生活中與生物學相關(guān)的社會性問題。

圖4 “蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系”概念模型

此外，“評價”還穿插于本節(jié)三次小組合作建模探究活動及“解釋”等環(huán)節(jié)，引導學生相互評價、糾正所建構(gòu)的模型及解釋，鼓勵學生勇于發(fā)表不同觀點，促進學生發(fā)展團隊合作能力、表達能力、批判性思維能力及創(chuàng)造性思維能力。

本節(jié)“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者”教學聚焦生物學學科核心素養(yǎng)培育這一高中生物學課程目標，根據(jù)具體教學內(nèi)容及教學目標靈活調(diào)整5E 教學模式的5 個環(huán)節(jié)，使得5E 教學模式與建模教學有機結(jié)合，引導學生主動參與建模探究活動，在建立、理解與應用生物學概念過程中，發(fā)展科學思維能力與科學探究能力，形成生命觀念與社會責任擔當。