基于“鐮刀形細(xì)胞貧血癥”主線化情境的蛋白質(zhì)專題復(fù)習(xí)

姜 平 馮凌凌

(浙江省杭州市余杭高級中學(xué) 浙江杭州 311100)

1 教材分析及設(shè)計思路

“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承載者”是2021 版浙科版高中生物學(xué)教材《必修1·分子與細(xì)胞》第一章“細(xì)胞的分子組成”第二節(jié)的內(nèi)容,是學(xué)習(xí)該模塊其他內(nèi)容和其他模塊的重要基礎(chǔ)知識。在新授課中學(xué)生已經(jīng)掌握了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和主要功能等基礎(chǔ)知識,這為復(fù)習(xí)課的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ),但新授課重在本節(jié)知識的生成與理解,無法實現(xiàn)與教材中其他內(nèi)容進(jìn)行聯(lián)系的設(shè)計,因此新授課中學(xué)生難以構(gòu)建關(guān)于“蛋白質(zhì)”的大概念體系,也難以形成該內(nèi)容中滲透的生命的物質(zhì)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、遺傳的信息觀等生命觀念。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》明確指出生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在解決真實問題情境中的實際問題時所表現(xiàn)出來的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。可見,核心素養(yǎng)的落實需要情境作為載體。本節(jié)課以學(xué)生熟悉的“鐮刀形細(xì)胞貧血癥”為主線化情境,圍繞“蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能”設(shè)計專題復(fù)習(xí),將整條情境分解為3 個層層遞進(jìn)的子情境主題,引領(lǐng)學(xué)生步步深入地構(gòu)建概念,并聯(lián)系細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、細(xì)胞分化、基因表達(dá)、基因突變、消毒滅菌等內(nèi)容精心設(shè)計問題鏈,幫助學(xué)生構(gòu)建完整的蛋白質(zhì)概念體系,形成多種生命觀念,提升模型與建模、歸納與概括以及推理的科學(xué)思維,提升關(guān)注現(xiàn)實生活的社會責(zé)任。

2 教學(xué)目標(biāo)

①通過創(chuàng)設(shè)“鐮刀形細(xì)胞貧血癥”的主線情境,關(guān)注現(xiàn)實生活,提高社會責(zé)任意識。

②通過對紅細(xì)胞及紅細(xì)胞中血紅蛋白等多種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的分析,形成細(xì)胞層次和蛋白質(zhì)分子層次的結(jié)構(gòu)與功能觀。

③通過對珠蛋白β 鏈的七肽合成過程及血紅蛋白加工過程的分析,闡明氨基酸構(gòu)成多肽鏈及加工成蛋白質(zhì)的過程,構(gòu)建蛋白質(zhì)的概念體系,提升模型與建模、歸納與概括的科學(xué)思維,形成遺傳的信息觀。

④通過對血紅蛋白結(jié)構(gòu)和功能影響因素的分析,完善蛋白質(zhì)的概念體系,形成生命的物質(zhì)觀,深化蛋白質(zhì)分子層次的結(jié)構(gòu)與功能觀,并運用所學(xué)知識指導(dǎo)生產(chǎn)生活實踐,提高社會責(zé)任意識。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境,引入主線

教師播放“鐮刀形細(xì)胞貧血癥的故事”視頻,提出問題:視頻里講了什么病? 直接病因是什么? 在學(xué)生回答后提出本節(jié)課復(fù)習(xí)的3 個核心問題:血紅蛋白的異常為什么會導(dǎo)致鐮刀形細(xì)胞貧血癥? 血紅蛋白在紅細(xì)胞中是怎樣合成的? 血紅蛋白的結(jié)構(gòu)和功能受到哪些因素的影響?

設(shè)計意圖:通過生動的視頻引入復(fù)習(xí)的主線情境,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,同時通過具體的情境使學(xué)生認(rèn)識到生物學(xué)知識與現(xiàn)實生活的緊密聯(lián)系。圍繞情境中的血紅蛋白將主線情境分解為以3 個核心問題形式展開的子情境主題,使學(xué)生清晰地知道復(fù)習(xí)目標(biāo)。

3.2 分析情境,層層遞進(jìn)

3.2.1 分析子情境1,感悟蛋白質(zhì)與細(xì)胞功能的關(guān)系子情境1:血紅蛋白的異常為什么會導(dǎo)致鐮刀形細(xì)胞貧血癥? 教師展示血紅蛋白的結(jié)構(gòu)介紹及圖片:血紅蛋白由珠蛋白和血紅素組成。珠蛋白由4 條珠蛋白鏈(兩條α 鏈和兩條β 鏈)組成的四聚體。每一條鏈有一個血紅素。血紅素為環(huán)狀結(jié)構(gòu),中間的亞鐵可以與氧結(jié)合。設(shè)置問題鏈:正常的血紅蛋白有什么功能? 血紅蛋白結(jié)構(gòu)上有什么特點與功能相適應(yīng)?人成熟的紅細(xì)胞除了血紅蛋白還有哪些蛋白質(zhì)? 展示紅細(xì)胞中多種蛋白質(zhì)圖片,如葡萄糖載體蛋白、酶、激素受體等。教師進(jìn)而提出問題:它們有什么功能?結(jié)構(gòu)相同嗎? 展示紅細(xì)胞圖片,設(shè)置問題鏈:人成熟的紅細(xì)胞有什么功能? 形態(tài)和結(jié)構(gòu)上有什么特點與功能相適應(yīng)? 血紅蛋白的異常為什么會影響鐮刀形細(xì)胞貧血癥患者紅細(xì)胞的形態(tài)和功能?

設(shè)計意圖:通過文字材料和直觀的圖片等信息,比較血紅蛋白和紅細(xì)胞中其他蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的差異,形成蛋白質(zhì)分子層次的結(jié)構(gòu)與功能觀。通過分析紅細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能,形成細(xì)胞層次的結(jié)構(gòu)與功能觀。通過思考問題鏈,感悟細(xì)胞的功能主要是由蛋白質(zhì)決定的。

3.2.2 分析子情境2,構(gòu)建血紅蛋白合成的過程

子情境2:血紅蛋白在紅細(xì)胞中是怎樣合成的?任務(wù)一:分析血紅蛋白合成的場所、時間和原料。教師設(shè)置問題鏈:血紅蛋白在紅細(xì)胞的什么場所合成?人成熟的紅細(xì)胞中有核糖體嗎? 血紅蛋白在紅細(xì)胞形成的什么時期合成? 展示造血干細(xì)胞分化形成紅細(xì)胞的過程(圖1)。通過提問“合成血紅蛋白的原料是什么”過渡到任務(wù)二。

圖1 造血干細(xì)胞分化形成紅細(xì)胞的過程

任務(wù)二:分析血紅蛋白的基本單位——氨基酸。設(shè)置問題鏈:構(gòu)成生物體的氨基酸在結(jié)構(gòu)上有什么共同點? 據(jù)此判斷圖2所示的四種有機小分子中哪些一定不是構(gòu)成血紅蛋白的基本單位?

圖2 四種有機小分子

學(xué)生通過分析總結(jié)構(gòu)成生物體的氨基酸的統(tǒng)一性和多樣性體現(xiàn),并用氨基酸的結(jié)構(gòu)通式來表示。

任務(wù)三:模擬血紅蛋白的合成過程,分析多肽形成過程中的數(shù)量關(guān)系。教師展示從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中查詢到的珠蛋白氨基酸序列,提供材料(一條mRNA鏈、多個多種氨基酸紙片、剪刀、固體膠或訂書機),組織小組活動——模擬珠蛋白β 鏈的七肽片段的合成。教師巡視學(xué)生的活動過程并收集學(xué)生的正確作品和典型錯誤作品,然后通過實物展臺展示學(xué)生作品,并請學(xué)生進(jìn)行評價。學(xué)生通過評價作品逐一澄清易錯點:(1)七肽的含義是含有7 個氨基酸的多肽;(2)翻譯的起始位點是mRNA 上的起始密碼子;(3)氨基酸脫水縮合的過程是氨基脫去氫和羧基脫去羥基,并形成水的過程。在厘清翻譯過程和脫水縮合過程后,學(xué)生總結(jié)多肽中的數(shù)量關(guān)系(表1)。

表1 多肽中的數(shù)量關(guān)系

任務(wù)四:分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性。教師設(shè)置問題鏈:血紅蛋白中的珠蛋白肽鏈和紅細(xì)胞中厭氧呼吸酶等蛋白質(zhì)中肽鏈的差異性由哪些因素造成? 珠蛋白肽鏈加工成特定空間結(jié)構(gòu)的血紅蛋白是圖3 中的哪條途徑? 如何加工?

教師用毛根教具模擬演示肽鏈通過α 螺旋和β折疊等加工形成球形的血紅蛋白。提出問題:鐮刀形細(xì)胞貧血癥患者的血紅蛋白為什么從球形變成了纖維狀? 進(jìn)而展示資料:1957年,英國學(xué)者英格蘭姆發(fā)現(xiàn)鐮刀形細(xì)胞貧血癥患者的珠蛋白β 鏈第6 位的谷氨酸替換為了纈氨酸,且第6 位氨基酸位于血紅蛋白的表面。學(xué)生分析谷氨酸和纈氨酸的結(jié)構(gòu)特點后推理出:鐮刀形細(xì)胞貧血癥患者的血紅蛋白表面的疏水性纈氨酸借助疏水作用使血紅蛋白相互連接而形成纖維狀的血紅蛋白聚合物。

設(shè)計意圖:圍繞子情境2,通過四個步步深入的任務(wù)構(gòu)建蛋白質(zhì)的概念體系。任務(wù)一聯(lián)系細(xì)胞分化的內(nèi)容分析血紅蛋白合成的場所和時間,從細(xì)胞水平說明蛋白質(zhì)合成的場所和時間。任務(wù)二分析血紅蛋白的合成原料即基本單位,從分子水平說明氨基酸的多樣性和統(tǒng)一性。任務(wù)三通過小組活動模擬“珠蛋白β鏈的七肽片段的合成”,從分子水平闡明氨基酸形成多肽的過程,形成遺傳的信息觀,提升模型與建模的科學(xué)思維;并通過分析多肽中的數(shù)量關(guān)系,提升歸納與概括的科學(xué)思維。任務(wù)四通過比較珠蛋白肽鏈和其他蛋白質(zhì)中肽鏈的差異性,從分子水平總結(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因,提升歸納與概括的科學(xué)思維;并從“蛋白質(zhì)合成”延伸到“蛋白質(zhì)加工”,聯(lián)系細(xì)胞結(jié)構(gòu)的內(nèi)容深入分析多肽鏈如何加工成具有特定空間結(jié)構(gòu)的血紅蛋白;再從“正常結(jié)構(gòu)的血紅蛋白”延伸到“異常結(jié)構(gòu)的血紅蛋白”,回歸主線情境,分析鐮刀形細(xì)胞貧血癥中異常結(jié)構(gòu)的血紅蛋白的形成原因,提升推理的科學(xué)思維。

3.2.3 分析子情境3,構(gòu)建影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的因素

子情境3:血紅蛋白的結(jié)構(gòu)和功能受到哪些因素的影響? 承接子情境2 的任務(wù)四,教師提出問題:鐮刀形細(xì)胞貧血癥患者的血紅蛋白中谷氨酸替換成纈氨酸是由什么原因引起的? 學(xué)生聯(lián)系基因突變的內(nèi)容,分析得出:基因中個別堿基對替換引起基因突變,通過轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致mRNA 中密碼子改變,再通過翻譯導(dǎo)致珠蛋白β 鏈第6 位的谷氨酸替換為纈氨酸,從而最終導(dǎo)致血紅蛋白的結(jié)構(gòu)和功能異常。教師補充介紹地中海貧血癥也是遺傳物質(zhì)改變的內(nèi)在因素引起蛋白質(zhì)異常的另一種常見病例。引導(dǎo)學(xué)生回顧影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的外在因素,構(gòu)建“影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的因素”概念圖(圖4)。

圖4 “影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的因素”概念圖

設(shè)置問題鏈:消毒和滅菌利用了圖5 中的哪些因素? 消毒和滅菌對微生物的蛋白質(zhì)和生命活動造成了怎樣的影響?

圖5 蛋白質(zhì)的概念體系

設(shè)計意圖:通過分析和總結(jié)影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的因素,進(jìn)一步完善蛋白質(zhì)的概念體系,形成生命的物質(zhì)觀,進(jìn)一步強化蛋白質(zhì)分子層次的結(jié)構(gòu)與功能觀。聯(lián)系基因突變和消毒滅菌的內(nèi)容,提升用生物學(xué)知識解決生產(chǎn)生活中問題的社會責(zé)任感,領(lǐng)悟本節(jié)課的復(fù)習(xí)主題“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承載者”。

3.3 回歸情境,再現(xiàn)概念體系

教師再次呈現(xiàn)本節(jié)課的3 個子情境主題,回顧本節(jié)課的復(fù)習(xí)內(nèi)容。通過對課堂開始時提出的3 個核心問題的解釋,評價學(xué)生復(fù)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成情況?；仡櫛竟?jié)課在黑板上通過板書逐步生成的蛋白質(zhì)概念體系(圖5)。

設(shè)計意圖:通過回顧本節(jié)課的復(fù)習(xí)內(nèi)容,再現(xiàn)蛋白質(zhì)的概念體系,使概念結(jié)構(gòu)化、網(wǎng)絡(luò)化,再次感悟結(jié)構(gòu)與功能觀、遺傳的信息觀和生命的物質(zhì)觀等生命觀念。

4 教學(xué)反思

創(chuàng)設(shè)主線化情境讓真實有趣的情境貫穿課堂始終,讓學(xué)生始終保持學(xué)習(xí)的熱情和探究的欲望。教師以學(xué)生熟悉的“鐮刀形細(xì)胞貧血癥”為主線情境,并將其分解為3 個子情境主題,精心設(shè)計一系列的任務(wù)和問題鏈,對血紅蛋白的相關(guān)知識進(jìn)行步步深入地分析,幫助學(xué)生跨章節(jié)、跨模塊構(gòu)建蛋白質(zhì)的完整概念體系,形成結(jié)構(gòu)與功能觀、遺傳的信息觀和生命的物質(zhì)觀等生命觀念,提升模型與建模、歸納與概括的科學(xué)思維,提升關(guān)注現(xiàn)實生活問題并用生物學(xué)知識解決生產(chǎn)生活問題的社會責(zé)任。