聚焦生命观念的线上教学

刘伟华  李霞  何彬  杨恬然

摘要：线上教学背景下，教师以胰岛素合成的相关科学研究发展过程中的重要事件为线索，聚焦生命观念，借助专业数据库实现合成胰岛素分子结构可视化，应用数字化工具开展师生互动、生生互动，促进信息技术与课堂教学深度融合，提升学生的结构与功能观，以及生命的信息观。

关键词：数字化教学；生命观念；蛋白质；生物学

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，生命观念是指对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象，是人们经过实证后的观點，是能够理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法。教师要引导学生在理解并运用生物学概念的基础上建立生命观念。信息技术与课堂教学深度融合是大势所趋。教师科学应用信息技术能够更好地创设情境，开展课堂活动，改进教学方式，帮助学生建立生命观念，实现深度学习目标。如何确保线上教学的实效性，助力线上教学与线下实践？下面，笔者以“胰岛素的前世今生”的教学设计为例，介绍如何有效开展数字化教学。

一、“胰岛素的前世今生”数字化教学设计

（一）教学内容分析

蛋白质是生命活动的主要承担者，为生命活动提供重要支持。蛋白质功能多样性与其结构密不可分。有的蛋白质是细胞结构的重要组成成分，有的蛋白质具有运输功能，有的蛋白质具有催化化学反应的功能。胰岛素从化学本质上看是蛋白质，常用于治疗糖尿病。在过去的近百年时间，胰岛素经历了从无到有，从动物胰岛素到人胰岛素，再到胰岛素类似物三个阶段。笔者以胰岛素的发展历程这一真实情境为背景，层层递进解决现实问题，组织专题复习课的教学活动。

蛋白质是生命活动的主要承担者这部分内容，还涉及基因的表达、基因工程和蛋白质工程等知识。教师从多个角度阐释蛋白质结构与功能的关系，聚焦结构与功能观，带领学生熟悉蛋白质合成过程，揭示科学本质，构建生命的信息观。

（二）主要教学环节及问题设计

教师围绕“如何利用胰岛素的结构进行胰岛素合成以实现其功能的优化”这一核心问题，以研究合成胰岛素为主线，通过问题串引导学生思考活动。笔者结合案例，做了如下的教学流程及问题设计（如图1）。

（三）教学过程

1. 情境引入，复习反馈

据最新流行病学调查数据，目前我国糖尿病患病率为11.2%，呈逐年上升趋势。依据世界卫生组织（WHO）诊断标准，注射胰岛素是降低血糖的有效手段。教师首先提出问题“胰岛素为何能发挥降血糖的功能”“胰岛素在胰岛B细胞中是如何合成的”，然后反馈学生的掌握情况，出示图片并讲解胰岛素合成过程（如图2）。

2. 人工合成牛胰岛素

注射用的胰岛素是怎么来的呢？教师引导学生阅读学案中我国科学家合成牛胰岛素的相关资料，并提出问题：“人工合成牛胰岛素面临哪些问题？”学生回答：考虑两点——人工合成牛胰岛素需要哪些原料；合成后是否就具有功能。

教师出示英国科学家桑格（F.Sanger）在1953年测得牛胰岛素全部氨基酸的排列顺序的相关资料（如图3）。

布置任务：教师以A链中第3位的缬氨酸和第4位的谷氨酸为例，板书两个氨基酸的脱水缩合过程，并邀请一名学生在平台屏幕上书写。在学生完成任务后，教师进行点评，播放氨基酸形成多肽链的视频，夯实脱水缩合过程相关知识。教师在此基础上追问：“人工合成A链、B链后，牛胰岛素就可以发挥作用吗？”学生讨论后阐明观点：只有A链和B链盘曲折叠，形成特定的空间结构，胰岛素才能发挥作用。教师推送牛胰岛素的网址链接，让学生利用RCSB pdb蛋白结构在线搜索数据库，通过拖曳全方位直观认识牛胰岛素的3D空间结构。学生播放纪念人工合成结晶牛胰岛素50周年纪录短片，了解我国科学家付出的努力及其价值。

至此，学生夯实了氨基酸合成蛋白质过程的知识，厘清了牛胰岛素合成的思路，感悟科学家吃苦耐劳、团结协作的精神，增强了民族自信。

3. 用基因工程技术合成人胰岛素

临床研究发现，人类使用动物胰岛素会出现排异现象。为什么？学生对此提出假说：可能牛胰岛素与人胰岛素氨基酸序列存在差异，导致空间结构存在差异，使牛胰岛素进入机体后类似于抗原，引起机体的免疫排斥反应。如何证明呢？教师再一次推送RCSB pdb在线数据库，让学生使用数据库查找并比对牛胰岛素（ID：4E7T）和人胰岛素（ID：5ENA）的氨基酸序列及空间结构。学生发现牛胰岛素和人胰岛素存在差异，进一步理解使用动物胰岛素会出现药物抵抗现象的原因，认识到生产人胰岛素非常必要。

教师提问：“如何生产人胰岛素？”学生利用平台分组讨论后，汇报交流，最终形成两种方案。

方案1：分别将人胰岛素A链和B链对应的基因编码序列作为目的基因进行转基因，分别生产A链和B链，再通过组装合成人胰岛素。

方案2：将人胰岛素原所对应的基因编码序列作为目的基因进行转基因，合成胰岛素原，后经细胞外酶切获得胰岛素。

教师出示资料：随着基因工程技术的发展，重组人胰岛素逐渐取代动物胰岛素。早期人们重组人胰岛素生产，采用A、B链分别表达法。后来该方法被胰岛素原表达法取代，即由大肠杆菌合成胰岛素原，然后经细胞外酶切获得胰岛素。教师肯定学生提出的方案，增强学生信心。

4. 胰岛素类似物的诞生

用基因工程技术获得的人胰岛素，无法很好地模拟生理胰岛素的分泌，存在延迟问题，患者必须在餐前30分钟注射，一旦忘记，进餐可能引起低血糖。

教师提问“为什么会出现上述现象”，引导学生阅读学案中与胰岛素出现延迟的分子机制有关的资料，找到答案：胰岛素经皮下注射后会形成六聚体，六聚体的解聚需要时间，因此注射胰岛素发挥作用会有所延迟（如图4）。

如何解决延迟问题？教师引导学生将关注点聚焦在胰岛素的空间结构上——一个胰岛素B链的第28位Pro与另一个胰岛素B链23位的Gly之间能够形成紧密的范德华力，这是胰岛素形成六聚体的关键。学生讨论后提出问题：能否通过蛋白质工程在不改变胰岛素功能的情况下，改变胰岛素B链的第28位Pro或B链23位的Gly，以消除范德华力？对此，教师给予肯定并出示科学家改造胰岛素的相关资料（如图5）。

注：图中灰线显示的是改造后的胰岛素，左右各有一个胰岛素。黑线显示的是改造前的原始胰岛素。图中虚线表示的是B链的第28位Pro与另一个胰島素B链23位的Gly形成范德华力，而改造后的胰岛素则不存在这个作用力。

布置任务：教师引导学生思考如何用蛋白质工程技术改造胰岛素，让学生使用平台的“小黑板”书写基本流程。通过交流评价，学生掌握了蛋白质工程基本流程，提升了结构与功能观，以及生命的信息观，认识生物技术的重要价值。

5. 课堂小结

教师提问“蛋白质功能的多样性是如何实现的”，引导学生进行总结，并通过平台中的板书功能对概念进行梳理。

（四）各环节中数字化资源与技术的选择

为更好地进行课堂互动，教师使用交互性较好的ClassIn平台开展教学，并将有关资源与技术贯穿课程始终（见表1）。

二、信息技术与教学深度融合的分析

教师应用信息技术可以更好地创设教学情境，实现深层互动（包括人机互动、师生互动、生生互动），激发学生的兴趣和创新活力，发挥学生的学习主体作用，更好地实现因材施教。线上教学保证了教学活动的顺利开展，但是也会面临线上教学课堂学生参与度低、主动性差等问题。为解决这些问题，教师在备课过程中做了大量的尝试，并取得了很好的效果。

（一）线上平台辅助课堂互动教学

课堂互动影响信息传递效果。教师先后尝试了很多平台，最后选用ClassIn平台。该平台在互动教学方面具有优势，教师可使用放大摄像头、分组、板书、测验等功能，开展课前、课中、课后教学活动，提高信息传递效率与学生学习效率。教师应用互动平台开展线上教学，互动效果良好。

一是课堂互动时效性强。有效开展线上教学的关键是如何实现师生的自由互动、实时互动、规范互动。线上教学中，在平台的辅助下每个环节教师都可以根据题目难度及特点，选择学生回答，学生也可以主动举手回答。学生除回答问题外还可以提出问题，表达困惑。平台保障了互动时效性，向用户第一时间反馈信息，这有利于学生有效接收信息、建构概念，也有利于教师及时发现学生错误概念，为纠错提供依据。

二是课堂互动形式多样。除传统问答方式互动之外，教师还采用线上分组讨论等形式互动教学。例如，复习氨基酸分子脱水缩合时，学生在屏幕上书写是对在黑板上书写的高度模拟；探讨如何利用基因工程技术生产人胰岛素时，由于任务难度较大，教师组织学生线上分组讨论；在探索如何利用蛋白质工程技术改造胰岛素这一环节，教师用平台“小黑板”收集学生答案，帮助学生提高科学表达能力。

（二）线上数据库助力学生直观认识蛋白质结构

在数据库的选择方面，教师先后尝试了多种专业的在线数据库，经过前期调研，搜集学生的反馈信息，发现用 RCSB pdb在线数据库更为有利：比对蛋白质结构，操作更加容易，蛋白质空间结构效果直观，容易观察，并且能够在蛋白质空间结构中快速查找每个位点的氨基酸。

蛋白质的氨基酸序列与空间结构的内容既微观又抽象，学生不易理解。如何突破这一教学难点？教学中，教师两次带领学生应用RCSB pdb在线数据库进行探究。

1.直观认识牛胰岛素3D空间结构

多肽链是如何盘曲折叠形成具有一定空间结构的蛋白质呢？为探究这一问题，教师推送牛胰岛素的网址链接，让学生利用数据库，通过拖曳全方位直观认识牛胰岛素的3D空间结构（如图6），进而理解蛋白质有特定的结构，认识到每种蛋白质的特定功能与其相应的空间结构密不可分，在体验过程中建立结构功能观。

2.比对牛胰岛素和人胰岛素的氨基酸序列及空间结构

为验证牛胰岛素和人胰岛素存在差异，教师推送数据库链接，引导学生用数据库查找并比对牛胰岛素（ID：4E7T）和人胰岛素（ID：5ENA）的氨基酸序列及空间结构（如图7）。

师生应用RCSB pdb数据库，不仅可以比对两种蛋白质氨基酸序列的异同，而且可以直观全方位观察蛋白质分子的空间结构。通过比对，学生发现牛胰岛素和人胰岛素存在3个氨基酸的差异，并且这些差异均导致二者空间结构的不同。由此，学生深刻体会蛋白质分子中氨基酸种类及其排列顺序对其空间结构的影响，深入理解蛋白质结构多样性的原因，进一步建立结构与功能观。学生通过数字化实验得出对比结果，有利于他们理解使用动物胰岛素会出现药物抵抗现象的原因，有利于他们认识生产人胰岛素的意义。

学生通过应用RCSB pdb在线数据库，参与科学研究的重要环节，直观体验和认识蛋白质的空间结构，对于深入理解蛋白质结构多样性形成的原因、建构结构与功能观具有重要作用，同时对训练科学思维具有重要价值。学生学会应用数据库有利于日后学习与探索，为他们寻找证据搭建阶梯，受用终身。此外，师生与时俱进应用在线数据库，发挥了一般课堂无法替代的价值，促进了信息技术与教学深度融合，也体现了生物学学科特色。

三、总结

学生建构正确的生命观念有助于他们理解较大范围的生物学事件和生命现象，在面对生活的问题和挑战时具有更好的解释力和决策能力。学生在新授课学习中已初步构建生命观念。对于本节复习课的教学，教师从真实情境出发，充分利用信息技术引导学生运用结构与功能观和生命的信息观解决实际问题，提升生命观念。例如，教师引导学生应用RCSB pdb在线数据库对比牛胰岛素和人胰岛素的异同，直观感受并认识蛋白质空间结构差异与功能的关系；利用平台交互功能反馈学生运用基因工程技术、蛋白质工程技术设计生产人胰岛素、改造胰岛素的方案，都需要学生在认同结构与功能观的基础上，运用生命的信息观解决实际问题。

信息技术与课堂教学融合是信息时代教学改革的需要，是数字化时代人才培养的需要，是提高课堂教学效率的重要途径。不论是线上教学还是线下教学，信息技术已经潜移默化逐渐走进课堂，融入课堂。在未来的大多数课堂中，数字化教学将是不可或缺的构件。

注：本文系国家新闻出版署出版融合发展（人教社）重点实验室、人教数字教育研究院2022年重点课题“基于数字资源与技术的生物学科教学创新实践研究”（课题编号： RJA0222002）的阶段性成果。

参考文献

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[2] 王建华.胰岛素的前世今生[J].江苏卫生保健，2016（17）：14-15.

[3] 王儒.新版《中国糖尿病防治指南》更新要点解读[J].江苏卫生保健，2021（5）：50-51.

[4] Jean L. Whittingham， David J. Edwards， Alfred A. Antson， Judy M. Clarkson， and G. Guy Dodson， Interactions of Phenol and m-Cresol in the Insulin Hexamer， and Their Effect on the Association Properties of B28 Pro f Asp Insulin Analogues[J].Biochemistry，1998（37）： 11516-11523.

[5] 光磊.高中數字化课堂教学实践初探[J].中学教学参考， 2019（18）：37-38.

[6] 刘恩山.生命观念是生物学学科核心素养的标志[J].生物学通报，2018（1）：18-20.

（作者刘伟华、何彬、杨恬然系北京景山学校教师；李霞系北京市东城区教育科学研究院教研员）

责任编辑：祝元志