核心素养下高中生物模型探究教学的实践与研究

夏瑞祥

[摘 要]以球棍模型串起“蛋白质的结构和功能”整节课，采用小组合作探究的学习方法，利用学习任务单层层推进，旨在提高学生建构模型、科学探究的能力，让学生通过沉浸式体验和直观观察，充分理解并掌握这一课时的知识内容。

[关键词]核心素养;模型探究;球棍模型

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）29-0088-03

生物学学科核心素养是学生在解决真实情境中的实际问题时所表现出来的价值观念、必备品格与关键能力。学习是一种积极的过程，学习者在该过程中依靠自己现在和过去的知识建构新的思想和概念。就教学而言，教师应鼓励学生自己去探索原理。教师的任务是将学习信息转换为适合学生目前理解状态的格式[1]。

所谓“模型”就是模拟所要研究事物原型的结构形态或运动形态，是事物原型的某个表征和体现，同时又是事物原型的抽象和概括[2]。概念模型，如遗传的分子基础概念图，可以帮助学生理解基因、RNA和蛋白质间遗传信息传递的过程;物理模型，如制作ATP结构模型，可以帮助学生理解ATP、ADP以及AMP在结构上的联系与区别;数学模型，如利用数学归纳法计算杂合子连续自交n代后杂合子、纯合子的比例，可以帮助學生理解连续自交提高纯合子比例的原理。教师不仅不能忽视生物模型的教学，还要深入挖掘生物模型对学生学习新知识、提高生物科学素养的辅助作用[3]。

球棍模型是一种空间填充模型，用来表现化学分子的三维空间分布。合理利用球棍模型能帮助学生认识和理解分子的立体结构，结合模型建构、合作探究还能帮助学生理解化学反应的过程，为学生更好地理解“蛋白质的结构和功能”等生物学知识提供便利。

一、理论依据

1. 科学思维：模型与建模

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中指出：学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用……模型与建模……等方法，探讨、阐述生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。

生物模型的构建需要学生的主动思考和积极参与，它能够帮助学生有效地梳理知识点间的关系，构建出知识框架[4]。

2. 课程标准教学建议：注意学科间的联系

建构球棍模型在化学教学中应用较广，是高中化学的重要学习方法，生物课堂中以球棍模型开展教学未见相关研究。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出：自然界是一个统一的整体，自然科学中的物理学、化学、生物学等各门学科，其思想方法、基本原理、研究内容有着密切的联系。加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的本质、科学的思想方法和跨学科的科学概念和过程，有利于学生建立科学的生命观，逐步形成正确的世界观，发展生物学学科核心素养。

3.科学探究

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》对苏教版教材第二章第二节《细胞中的生物大分子》的“蛋白质的结构和功能”的内容要求是“阐明蛋白质通常由20种氨基酸分子组成，它的功能取决于由氨基酸序列及其形成的空间结构，细胞的功能主要由蛋白质完成”。要让学生充分理解并掌握这部分内容有一定的难度，所以在教学实践中，教师可以考虑采用小组合作探究的方式组织教学。“组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键”“学生应在探究过程中，逐步增强对自然现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力;在探究中，乐于并善于与团队合作，勇于创新”。

二、教学思路

“蛋白质的结构和功能”一课利用球棍模型进行展示的同时，采用小组合作探究、任务驱动等教学模式，使学生从认识氨基、羧基的球棍模型开始，认识氨基酸的结构，再通过组内模拟脱水缩合，层层推进，理解肽键结构与肽键数、脱去的水分子数、氨基酸数以及肽链条数的关系，掌握蛋白质相对分子质量的计算方法;通过组间建构的多肽链理解蛋白质结构的多样性，为理解蛋白质功能的多样性奠定基础，并在此基础上培养“结构与功能观”：结构决定功能，功能与结构相适应。

课前将班级48人分成8组，每组6人，每组所需球、棍材料分发到位，每组根据预先设计配置不同的表示R基的小球。课堂利用球棍模型，以6个活动递进式组织教学，主体教学思路如图1所示。

三、 教学实施

组内活动1：建构氨基、羧基球棍模型（如图2）

由于在学习本节内容时，高中有机化学的内容尚未学习，学生缺乏相应的知识基础，故有必要让他们先认识一下不同颜色小球所代表的原子以及单键、双键等。每组6位学生，每两位学生建构一个氨基和一个羧基，通过观察，强调完整的氨基和羧基一定要有与其他部分相连的化学键。

设计意图：认识不同颜色小球所代表的原子;区分单键、双键;认识氨基、羧基的结构，为学习氨基酸做好准备。

组内活动2：建构氨基酸球棍模型

组内每两位学生在活动1中已建构氨基和羧基，在此基础上，根据课本中氨基酸的结构通式合作建构一个氨基酸（其结构如图3所示）。

通过观察小组内建构好的3个氨基酸，得出氨基酸的种类取决于可变的侧链基团R基;通过对球棍模型结构的观察，得出构成蛋白质的氨基酸的特点：至少含有1个氨基和1个羧基且连接在同1个碳原子上，也可以通过观察得出氨基酸的元素组成，从而得出蛋白质的元素组成。

设计意图：认识氨基酸结构;明确氨基酸种类的取决位置;观察得出构成蛋白质的氨基酸的特点;了解氨基酸、蛋白质的元素组成。

组内活动3：模拟脱水缩合，建构二肽

氨基酸之间如何连接形成一条肽链是理解氨基酸形成蛋白质过程的重要环节。学生通过组内合作，利用已经建构的2个氨基酸，并根据课本中的示意图（如图4）尝试模拟脱水缩合的过程。

通过过程回顾，得出脱去的水分子中氧原子、氢原子的来源，直观且令人印象深刻，羧基提供一个氧原子，氨基和羧基各提供一个氢原子。

肽键结构的认识也很关键，除了强调两侧的化学键以外，通过旋转球棍模型，得出肽键的若干种书写方法，但是旋转并未改变原子间的连接方式，进一步通过错误的书写巩固这个知识点。

设计意图：理解脱水缩合的过程;明确脱去的水分子中氢、氧原子的来源;掌握肽键的结构式特征及书写。

组内活动4：模拟脱水缩合，在活动3的基础上建构三肽

在二肽的基础上，利用组内的另一个氨基酸继续脱水缩合形成三肽，得出多肽和肽链的概念;回顾整个过程，得出一条肽链中脱去的水分子数、肽键数、氨基酸数的关系：肽键数 = 脱去的水分子数 = 氨基酸数-1;观察三肽的结构，思考一条肽链中至少含有游离的氨基和羧基的数量，并结合R基，理解“至少”的含义，并得出蛋白质中至少含有的游离的氨基和羧基的数量。

设计意图：认识多肽和肽链;厘清一条肽链中肽键数、脱去的水分子数、氨基酸数的关系;理解蛋白质至少含有的游离的氨基、羧基数等于肽链条数。

组间活动1：以2、4、6、8组为单位，探究肽键数、脱去的水分子数、氨基酸数以及肽链条数的关系

2組为单位：共有6个氨基酸，形成2条肽链，脱去4个分子水，形成4个肽键。

4组为单位：共有12个氨基酸，形成4条肽链，脱去8个分子水，形成8个肽键。

6组为单位：共有18个氨基酸，形成6条肽链，脱去12个分子水，形成12个肽键。

8组为单位：共有24个氨基酸，形成8条肽链，脱去16个分子水，形成16个肽键。

通过以上分析，学生不难得出等式：肽键数 = 脱去的水分子数 = 氨基酸数-肽链条数。

同时引导学生思考：已知氨基酸的个数、氨基酸的平均分子量和脱去的水分子数，如何计算蛋白质的分子量？是不是直接用氨基酸的平均分子量×氨基酸的个数？由于前面的活动，学生已知该过程会脱去水分子，不难得出公式：蛋白质的分子量 = 氨基酸的平均分子量×氨基酸的个数-脱去的水分子数×18。

设计意图：采用数学归纳法，探究得出肽键数、脱去的水分子数、氨基酸数以及肽链条数的关系;掌握蛋白质相对分子质量的计算。

组间活动2：小组间合作，建构六肽

通过第1组知第5组、第3组和第7组、第4组和第8组的比较得出：氨基酸种类不同，形成的肽链存在差异;通过第2组和第6组形成的六肽与第1组比较得出：氨基酸数目不同，形成的肽链存在差异;通过第3组、第7组以及第4组、第8组形成的六肽比较得出：氨基酸的排列顺序不同，形成的肽链也存在差异;根据第3、4;7、8组形成的两个六肽构成的蛋白质和单独的一条形成的蛋白质相比较得出：肽链条数不同，蛋白质也存在差异。

再结合肽链的盘曲折叠得出蛋白质结构多样性的原因：氨基酸的种类、数目、排列顺序以及多肽链的条数和空间结构的不同。

设计意图：阐明蛋白质结构多样性的原因，为解释蛋白质功能多样性做准备。

四、教学反思

本节课充分体现了新课程标准中关于培养学生科学思维能力、提高学生科学探究能力的要求，并结合了“注重学科间的联系”这一建议，引导学生小组合作探究模型建构，并在教师的指导和学习任务单的指引下自主探究，提高了实践能力，激发了生物学科学习兴趣，充分体现了学生的课堂主体地位。直观的球棍模型，让学生充分体会和领悟到生物学的本质与规律，加深学生对氨基酸相关知识以及蛋白质结构的理解。

模型建构、跨学科教学、小组合作、探究学习都不只是生物教学中追求的一种简单形式，这些都应是发展学生生物学学科核心素养的“工具”。模型建构，可化抽象为直观，便于阐释生命现象和规律，在建构模型的过程中发展科学思维;跨学科教学，从另一视角，采用新的方法策略学习生物课程，有利于学生理解跨学科的概念和过程，便于学生形成唯物主义、科学的生命观念;小组合作、探究学习相关形式的设置，必须有实质性内容，要做到“真合作”“真探究”，教师的适度放手，最大限度地发挥了学生的自主性，逐步提高了学生的科学探究能力。

在模型探究教学实践中，只有选择好“工具”，巧妙设计，有机融合，才能更好地发展学生的生物学学科核心素养。

[   参   考   文   献   ]

[1]  高文，徐斌艳， 吴刚.建构主义教育研究[M].北京：教育科学出版社，2008.

[2]  汪忠.普通高中课程标准实验教科书·生物必修1：分子与细胞[M].南京：凤凰出版传媒集团，2011.

[3]  陈敏.从能量流动模型看高中生物模型教学中的误区[J].中学生物学，2017（11）：8-10.

[4]  官仕坤.对高中生物模型教学的几点思考[J].中学生物教学， 2018（4）：37-38.

（责任编辑 黄春香）