融入科學(xué)史培養(yǎng)科學(xué)思維的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“蛋白質(zhì)是重要的生物大分子”一課為例

詹琪芳

（上海市盧灣高級中學(xué) 上海 200023）

1 教材分析

本節(jié)課是上科版高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》第二章“細(xì)胞的分子組成”第二節(jié)“蛋白質(zhì)和核酸是重要的生物大分子”的第一課時(shí)?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“分子與細(xì)胞”模塊的概念1中明確要求“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”。其中，蛋白質(zhì)的形成過程及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系既是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本節(jié)課以我國成功合成結(jié)晶牛胰島素這一科學(xué)事件為載體，運(yùn)用模型建構(gòu)、全息視頻、演示實(shí)驗(yàn)等多種教學(xué)手段，讓學(xué)生在對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識中，培養(yǎng)科學(xué)思維，逐步形成結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生命觀念，感悟科研工作的不易和科學(xué)家的執(zhí)著精神，提升民族自豪感。

2 教學(xué)目標(biāo)

①通過課堂交流和分析歸納，認(rèn)識生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的主要功能，體會蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，從分子水平感悟生命的物質(zhì)性。

②通過模型建構(gòu)，描述氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其形成蛋白質(zhì)的過程，提升歸納與概括、模型與建模、質(zhì)疑與探究的科學(xué)思維能力。

③通過“牛胰島素的合成之路”，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，進(jìn)一步形成結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生命觀念。關(guān)注蛋白質(zhì)的科學(xué)研究進(jìn)展，養(yǎng)成尊重科學(xué)、崇尚科學(xué)的態(tài)度。

3 教學(xué)過程

3.1 以科考船的新發(fā)現(xiàn)為情境，引入主題

教師播放視頻：2016年我國“科學(xué)號”科考船發(fā)現(xiàn)某深海熱液區(qū)的噴口不斷噴出超臨界二氧化碳，其周圍聚集著大量的含氮化合物。科學(xué)家據(jù)此提出生命起源的又一假說，超臨界二氧化碳在漫長的歲月中，將大量的含氮物質(zhì)富集并形成氨基酸，進(jìn)而聚合成為蛋白質(zhì)，生命由此誕生。教師提問：為什么氨基酸形成蛋白質(zhì)后，生命就誕生了？學(xué)生根據(jù)查閱的資料，說出蛋白質(zhì)的各種功能。教師追問：如果沒有這些功能多樣的蛋白質(zhì)，生命將會怎樣？

設(shè)計(jì)意圖：教師用視頻中的科學(xué)發(fā)現(xiàn)引出主題——蛋白質(zhì)是重要的生物大分子。學(xué)生通過了解蛋白質(zhì)的多種功能，體會到“蛋白質(zhì)與生命活動息息相關(guān)，是生命活動的主要承擔(dān)者”。

3.2 以結(jié)晶牛胰島素的合成為主線，探究氨基酸形成蛋白質(zhì)的過程

教師介紹我國科學(xué)家合成世界上第一個(gè)具有活性的蛋白質(zhì)——牛胰島素的科研成就及其重要意義，并基于此段科學(xué)史，帶領(lǐng)學(xué)生探究氨基酸形成蛋白質(zhì)的過程。

3.2.1 科學(xué)家籌集合成牛胰島素的氨基酸——氨基酸的結(jié)構(gòu)

教師提問：如果你是當(dāng)時(shí)科學(xué)團(tuán)隊(duì)中的一員，你會如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案？學(xué)生討論后，回答：首先要明確牛胰島素的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的方法進(jìn)行合成。教師追問：如何證明合成出的蛋白質(zhì)與天然的牛胰島素一樣具有活性？學(xué)生回答：將它和天然的牛胰島素分別注射到小鼠體內(nèi)，觀察小鼠的反應(yīng)是否一致。

接著，教師展示資料：任何一種蛋白質(zhì)都具有特定的結(jié)構(gòu)，牛胰島素的結(jié)構(gòu)是由一位英國的化學(xué)家在1955年測序完成的。它共有17種、51個(gè)氨基酸，連成A、B鏈，再由二硫鍵連接起來。據(jù)此，教師追問：清楚了牛胰島素的結(jié)構(gòu)后，科學(xué)家首先需要做些什么呢？學(xué)生回答：需要足夠的氨基酸。教師提問：什么是氨基酸？其結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)？并要求學(xué)生觀察教材中的幾種氨基酸結(jié)構(gòu)，用泡沫小球和牙簽制作出簡易模型歸納概括出它們的共性特征，不同的部分可以用R表示。學(xué)生分小組協(xié)作完成氨基酸結(jié)構(gòu)通式的建模并描述其特點(diǎn)，即氨基、羧基、氫原子及側(cè)鏈R基共同連在一個(gè)中心碳原子上。

設(shè)計(jì)意圖：通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生能夠掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，親歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，主動參與學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的相關(guān)知識。通過觀察，學(xué)生能夠掌握歸納概括的方法，并學(xué)會運(yùn)用模型與建模的手段提煉不同事物的本質(zhì)特征。

3.2.2 合成A鏈和B鏈——氨基酸形成多肽鏈

科學(xué)家接下去將氨基酸連接起來形成A、B鏈，這個(gè)過程在生物體內(nèi)是通過脫水縮合反應(yīng)完成的。學(xué)生自主討論脫去1分子水、連接兩個(gè)氨基酸的途徑。結(jié)果學(xué)生討論出了各種連接方式（圖1）。教師請學(xué)生投屏展示，闡述思路。教師提問：牛胰島素有兩條肽鏈，分別由21個(gè)和30個(gè)氨基酸組成，二肽分子還需要繼續(xù)以脫水縮合的方式連接其他的氨基酸。這些不同的連接方式可以繼續(xù)嗎？學(xué)生分析發(fā)現(xiàn)②不能繼續(xù)脫水縮合，由此排除該種連接方式。

接著，教師追問：根據(jù)X射線顯示的衍射圖，肽鍵是在C原子和N原子間形成的單鍵，以上連接方式中又有哪些是不符合事實(shí)的？學(xué)生據(jù)此排除了①和③，最終確定了④是正確的連接方式。

教師再次追問：科學(xué)家在合成A、B鏈時(shí)，還會遇到哪些困難？學(xué)生各抒己見，學(xué)生甲：除了形成長鏈，我覺得還有可能會形成環(huán)狀，因?yàn)閮深^的氨基和羧基也可以發(fā)生脫水縮合。學(xué)生乙：組成兩條鏈的氨基酸數(shù)目需要控制好。學(xué)生丙：氨基酸的順序也需要注意，順序變了，就不是牛胰島素的肽鏈結(jié)構(gòu)了……

設(shè)計(jì)意圖：教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽假設(shè)，并根據(jù)假設(shè)開展有理有據(jù)的探究活動。此時(shí)，結(jié)果的正確與否不作為評判的主要標(biāo)準(zhǔn)，教師需要重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生的思維過程，在充分贊揚(yáng)學(xué)生具備創(chuàng)新精神的前提下，指導(dǎo)他們學(xué)會運(yùn)用批判的眼光重新審視過程，進(jìn)而闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律。在信息逐階完善的過程中，學(xué)生歷經(jīng)假設(shè)、論證、推翻等一系列探究過程，終于揭示肽鍵的形成過程及其結(jié)構(gòu)。這種層層鋪墊、“一波三折”式的模式與直接用動畫來呈現(xiàn)相比，增添了趣味性和刺激感，加深了學(xué)生的印象。最后，學(xué)生觀察、思考，總結(jié)出蛋白質(zhì)特定的結(jié)構(gòu)與氨基酸的數(shù)目、種類及排序密切相關(guān)，同時(shí)體會我國科學(xué)家在合成過程中遇到的重重困難。

3.3 組裝A鏈和B鏈——多肽鏈之間的連接

教師提問：合成好的A、B鏈會保持直線形嗎？進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)R基的化學(xué)性質(zhì)聯(lián)想到肽鏈會形成特定的空間結(jié)構(gòu)。教師播放二硫鍵連接A、B鏈的視頻，并提問：假設(shè)一個(gè)非常理想的狀態(tài)，溶液中只有1條A鏈和1條B鏈，二硫鍵連接的方式有15種，而真正天然的牛胰島素只是其中的1種，所以它的組裝概率是1/15。但事實(shí)上溶液中A鏈和B鏈不可能只有兩條，這意味著什么？學(xué)生回答：意味著正確組裝的概率幾乎為無窮分之一。教師提問：如果沒有按照正確的方式連接會造成什么結(jié)果？學(xué)生回答：R基團(tuán)的親水或親脂特性可能會影響蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。教師追問：空間結(jié)構(gòu)的改變會對蛋白質(zhì)的功能造成什么影響？

設(shè)計(jì)意圖：氨基酸的序列決定了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，其又是功能實(shí)現(xiàn)的前提。學(xué)生在體會科學(xué)家的工作是艱辛和困難的同時(shí)，為形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念做好準(zhǔn)備。

3.4 人工合成的牛胰島素的初次活體實(shí)驗(yàn)——蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

教師創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生思考：科學(xué)家首次滿心歡喜地把組裝好的A鏈和B鏈注射到小鼠體內(nèi)，期待著小鼠發(fā)生痙攣反應(yīng)，卻失敗了。哪里出了問題？你會從哪些方面尋找原因？學(xué)生分析：可能A、B鏈的氨基酸種類不對；可能氨基酸數(shù)目和排序有了問題；二硫鍵的連接方式出了問題。教師總結(jié)：這些原因都與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。那為什么結(jié)構(gòu)不對，功能就會受到影響呢？據(jù)此，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出：結(jié)構(gòu)與功能密切相關(guān)，有什么樣的結(jié)構(gòu)就有什么樣的功能與之相適應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：教師結(jié)合科學(xué)家在合成過程中遇到的挫折，引發(fā)學(xué)生對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的思考，培養(yǎng)學(xué)生演繹與推理的能力，讓學(xué)生感悟出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。

3.5 人工合成的牛胰島素的再次活體實(shí)驗(yàn)——影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)的因素

教師播放視頻：重新合成并組裝了A、B鏈后，科學(xué)家進(jìn)行了再一次的小鼠實(shí)驗(yàn)。結(jié)晶牛胰島素被科學(xué)家小心翼翼地從冰箱里拿出來，注射到小鼠體內(nèi)，小鼠因劇烈的痙攣反應(yīng)“跳”了起來，科學(xué)家也跟著激動地“跳”了起來。教師提問：小鼠的“跳”說明了什么？科學(xué)家為什么也“跳”起來？為什么牛胰島素要放在冰箱里保存？它的活性會受到什么因素的影響？接著，教師演示未經(jīng)處理、高溫、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿處理的過氧化氫酶催化H2O2氧化分解的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么只有加入未經(jīng)處理的酶的試管中產(chǎn)生了大量的氣泡。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)結(jié)論的得出一定是基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，有了人工合成的正確結(jié)構(gòu)的牛胰島素終于具有了和天然的同等的功能。小鼠實(shí)驗(yàn)的成功更加驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的強(qiáng)烈對比也讓學(xué)生直觀地認(rèn)識到高溫、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿等外界條件對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞，從而影響到功能。

3.6 關(guān)注國內(nèi)外蛋白質(zhì)的研究進(jìn)展——提升對科研的興趣

最后，教師講述：自諾貝爾獎?wù)Q生以來，先后有數(shù)十位科學(xué)家在蛋白質(zhì)的研究領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)而獲此殊榮。我國也涌現(xiàn)出不少的青年科學(xué)家，顏寧教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)解析了人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1的三維晶體結(jié)構(gòu)，破解了困擾生物學(xué)界50年的未解之謎。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)前沿動態(tài)，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣，使學(xué)生了解科研工作者的持之以恒，并對我國所取得的科學(xué)成就感到自豪和驕傲。

3 教學(xué)反思

基于科學(xué)史開展教學(xué)活動能夠讓學(xué)生沿著科學(xué)家的足跡，親歷整個(gè)科研過程，體會科研成果取得的不易，感同身受真實(shí)情境下的挫折，激發(fā)出克服困難的決心和勇氣。教師需要將挫折轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，形成教學(xué)中環(huán)環(huán)相扣的問題鏈，從問題的生成到問題的解決，讓學(xué)生能基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象。這種設(shè)計(jì)是對未知事物的循序漸進(jìn)的摸索，不可能一帆風(fēng)順，卻有助于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)。教師對學(xué)生的所有回答都應(yīng)予以重視。在這樣的教學(xué)氛圍中，學(xué)生有著強(qiáng)烈的代入感，能夠在飽滿情緒的帶動下，接收新知，體驗(yàn)親歷發(fā)現(xiàn)的快樂，培養(yǎng)良好的科學(xué)思維習(xí)慣。