RasMol在高中生物学教学中的应用——以“蛋白质是生命活动的主要承担者”为例

李竟才,张菁睿,李林玉,涂 卫,李世升

(黄冈师范学院 生物与农业资源学院,湖北 黄冈 438000)

建构主义认为,知识是学习者在一定的情境下,通过意义建构的方式获得的。在高中生物学课堂中可以将知识通过可视化纳入到原有图式中实现图式的同化顺应直到平衡[1],从而达到意义建构的过程。在高中生物学教学中,贯穿着意义建构的过程,本文试以“蛋白质是生命活动的主要承担者”可视化教学为例加以论述。该节内容选自普通高中《生物学(必修1·分子与细胞)》[2]第二章第四节,主要由蛋白质的功能、蛋白质的基本组成单位——氨基酸,以及蛋白质的结构及其多样性等三部分组成。此节内容为高中生物学重要知识点,学习的内容比较抽象,且学生没有有机化学的基础,虽在初中阶段初步掌握了蛋白质的相关基础知识,了解蛋白质是构成细胞的基本物质,但对蛋白质的结构依旧存在疑惑,对一些官能团都很陌生,对氨基酸以及蛋白质的立体空间结构模糊不清[3],无法完成意义建构。在生物学传统教学过程中学生缺少参与感,导致其学习动机减弱,而将可视化的生物信息学软件引入蛋白质教学,则有利于激发学生学习兴趣,让学生在自主操作的过程中完成学习目标,提高空间思维能力。在开放式的学习环境下,学习者会在课堂活动中主动地获取知识[4],例如将学生带入计算机教室使用可视化软件,让学生自主动手进行软件操作,既能强化学习的主动性也能够因人而异展现学习的个性化,让学生在合作交流中以意义建构的方式实现主动学习。合理利用可视化软件将蛋白质分子可视化,将知识转换成易被接受和理解的图形和动画形式,为学生提供更多的自主学习和动手操作的机会,创造主客体相互作用的条件,帮助学生更好地认识蛋白质这一客观事物的本质特征和规律[5]。

在目前的教学研究中,利用软件来展示蛋白质结构,成为突破“蛋白质”教学难点的有效手段。RasMol是一个可用于蛋白质、核酸和小分子展示的可视化软件,与RasMol类似,其他的可视化软件如DeepView和Diamond,也适用于高中生物课堂。Diamond晶体可视化软件能够在教学过程中制作氨基酸球棍模型,让学生参与到概念推理和过程演示中来,实现知识的可视化,在交互中理解掌握抽象知识[6]。相对于Diamond等软件,RasMol在展示上更加侧重于蛋白质整体结构,操作上也更加方便简洁。本文分析了“蛋白质”的教学现状,提出RasMol在“蛋白质”教学中的应用方法,以期在教学过程中促进意义建构,突破“蛋白质”教学难点从而提升教学效果。

1 教学现状

1.1 传统教学照本宣科

在传统的“蛋白质”教学中,教师们会按照教材内容循序进行,从蛋白质的结构到蛋白质的功能,落实结构决定功能的概念。教师带领学生阅读、记忆以及背诵教材知识,学生仅仅依靠“读教材、背知识”这种既定的机械化行为,完全无法消除学生思维上对蛋白质结构产生的困扰。

1.2 图形视频限制思维

部分教师在蛋白质教学中使用多媒体展示蛋白质平面图形,或播放蛋白质的结构视频,利用视觉效果给学生带来不一样的体验,让学生在观察中掌握知识,从而完成教学目标。虽然感官上的冲击会激发学生的学习兴趣,但现有平面图形和教学视频无法针对性展示特定氨基酸或蛋白质的图片和实时动画,依旧无法促进意义建构,突破“蛋白质”教学难点。

1.3 模型操作参与有限

在某些教学案例中,教师将“人”比作不同的氨基酸,人与人之间手拉手模拟氨基酸的脱水缩合,利用活动游戏,展示氨基酸脱水缩合的过程,进一步让学生串联后进行走动类比肽链的盘曲折叠,试图在活动游戏中突破难点[7];或是裁剪不同图案纸条类比成氨基酸,让学生在拼接过程中理解蛋白质多样性的原因[8];利用超轻黏土或是球棍模型让学生动手组装氨基酸,演示氨基酸脱水缩合的过程[9]。虽然活动丰富多样,但超轻黏土或球棍模型需要经费预算,在教学过程中依旧存在部分学生无法参与活动的情况,对于知识的理解也随着参与度的降低而减少。

在目前的蛋白质教学中,蛋白质的空间结构依旧是教学的难点。而生物信息可视化软件RasMol以其独特的方式能够很好的突破这一难点。

2 RasMol在蛋白质教学中的应用

2.1 可视化软件RasMol的特点

RasMol的下载安装简便且兼容性强,只需在官方网址(http://www.openrasmol.org/)免费下载最新版本RasMol后本地安装即可。RasMol对运行环境要求非常低,程序短小(仅903KB)且功能强大,因此一般高中学校各型号计算机均适于安装此软件。

RasMol的页面简洁且操作简单。软件具有主副两个窗口,其显示窗口(主窗口)可以很简单地通过选择相应的菜单来显示分子的三维结构;用命令行窗口(副窗口),可通过输入命令执行即可显示复杂和要求较高的三维图形。在教学过程中,只需利用主窗口打开PDB文件就可以简单地实现蛋白质等生物大分子结构的动态展示。RasMol能以各种模式、各种角度,甚至按照学生自己的意愿任意旋转,方便学生全方位观察蛋白质分子微观三维立体结构,进而了解蛋白质分子结构,在课堂中更易于实际操作,足以满足蛋白质教学的需要。

2.2 展示氨基酸的结构

通过氨基酸的的化学式总结归纳出氨基酸的结构通式,是本节内容的重点,而教材仅仅展示了四种常见氨基酸的平面化学结构式,让学生利用平面结构式推出氨基酸结构通式。学生在没有学习有机化学之前,对各种官能团认识不足,且对氨基酸的认识只停留在平面上,因此在后续氨基酸组成的蛋白质是具有空间结构的知识点上会出现思维困扰。仅依靠教材中的化学结构式来推导氨基酸结构通式,会给学生带来思维压力,利用RasMol可以展示氨基酸的空间结构,如图1所示甘氨酸、缬氨酸、丙氨酸和亮氨酸四种氨基酸球棍模型,利用球棍模型让学生在观察立体结构的同时结合化学结构式进行推导,会减少学生在知识难点上的思维困扰,且明确氨基酸具有空间结构的概念,从而突出教学重点,为学生后续学习蛋白质具有立体结构打下思维基础。

图1 四种氨基酸球棍模型示意图

2.3 演示氨基酸脱水缩合

让学生在RasMol中操作观察由多个甘氨酸脱水缩合后肽链的球棍模型(图2),并对应教材中氨基酸化学结构式,将知识可视化,帮助学生理解氨基酸脱水缩合的知识,突出教学重点,在球棍模型和化学结构式的对比归纳下,强化空间思维。

图2 氨基酸脱水缩合形成肽链:A两个甘基酸;B三个甘基酸;C四个甘基酸

2.4 展示蛋白质的结构

蛋白质的结构是蛋白质教学中的重难点内容。在利用超轻黏土制作氨基酸模型的教学过程中,发现有学生将氨基酸模型制作成平面模型,后续学习中也因思维定式将蛋白质理解为平面结构,说明学生的立体空间意识不强。利用RasMol展示蛋白质,就可以简单的突破蛋白质立体结构的难点,将学生难以理解和构建的空间结构进行直观地展示,且这种演示过程是由学生动手操作,在过程中提高了学生动手能力。

例如教材中常见的卡通丝带模型(图3A)、球棍模型、主干骨架模型(图3B)、空间填充模型、分子表面模型、绳丝带等。在RasMol软件中,Colours选项可以按照不同情况为蛋白质的结构上色,更方便学生观察和区分。

图3 血红蛋白模型示意图:A卡通丝带模型;B主干骨架模型

2.5 探究蛋白质多样性的原因

新人教版教材将蛋白质小节的内容进行了更改,首先学习蛋白质的功能,其次学习蛋白质的基本组成单位氨基酸,最后学习蛋白质结构与多样性。新人教版教材以全面落实课程标准和发展学生的核心素养为目的,体现了以学生为主体、以学生全面发展为纲、培养学生核心素养的教学目的[10],在这种编写顺序下,学生能够循序渐进,明确结构与功能相适应的生命观念。

肽链盘曲折叠方式的不同是导致蛋白质多样性的重要原因,利用RasMol的染色功能为肽链不同结构上色,如图4中人类唾液淀粉酶的α螺旋和β折叠利用该功能显示。可明显看出α螺旋结构呈现右旋线性螺旋,β折叠结构呈现出大致扭曲的褶状片层,将肽链中常见二级结构的不同盘曲方式进行区分,从而将知识可视化。

图4 人类唾液淀粉酶卡通模型示意图

2.6 探究蛋白质结构与功能的关系

教材通过展示导致贫血症的镰状细胞与正常红细胞的对比图,进一步引导学生理解红细胞功能改变的原因是因为血红蛋白中氨基酸的变化所导致的。为了将红细胞的功能与蛋白质结构相对应,可以在RasMol中利用单独显示功能将变化的氨基酸直观的展示出来。如图5,正常血红蛋白β链正常折叠,构成正常红细胞(A);如果血红蛋白β链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸取代形成异常β链[11],从而导致血红蛋白聚合成纤维状,使得血红蛋白扭曲成输氧能力剧减的镰状红细胞(B)。利用RasMol的单独显示功能,学生能够很直观地看出两种血红蛋白的不同,在观察立体结构时联系蛋白质的功能,在动手操作中掌握知识从而理解蛋白质结构与功能的关系,有助于学生通过观察分析血红蛋白中氨基酸的改变导致功能改变的事实证据,建构结构与功能相适应的生命观念。

图5 血红蛋白结构示意图:A正常红细胞;B镰状红细胞

3 RasMol教学效果

3.1 新事物激发学习兴趣

在高中阶段,计算机操作和信息技术对学生具有很大的吸引力,教师在进行教学设计时,利用学生对自主操作计算机的兴趣,在教学中加入可视化生物信息软件这一新事物,使这种兴趣与学习发生联系,教师适时引导帮助将学生对计算机的兴趣转变为对生物学知识的兴趣,激发学生产生良好的学习动机。在过程中,学生不需要进行复杂繁琐的操作,仅利用PDB数据库下载的PDB 蛋白质结构文件,就能够使用RasMol软件观察蛋白质的空间结构。简单的操作可以将微观放大,将需要抽象想象的分子结构通过三维图像直观地展示,为学生减少了复杂思考的压力,使学习变得容易有趣,更有利于学生产生良好的学习动机。

在必修一中,学生还没有接触过生物信息学,在此阶段中向学生展示生物信息学相关知识,可以为后续必修二中生物信息栏目的学习打下基础,利用可视化软件开拓视野,进一步产生良好的学习动机,让学习生物学变成一种快乐的主动的学习过程。并且,利用RasMol软件让学生认为自己在使用和专业科研人员相同的技术,这在一定程度上满足了学生对科学探究过程的好奇心,让学生真正接触到生物学前沿与生物信息数据的大平台,这种结合可以增加学生的学习兴趣,并为他们之后从事科学研究打下一定的基础[12]。

3.2 参与感促生学习动力

学生通过操作RasMol软件,提升学习的参与感。在使用RasMol的教学过程中,软件的操作都是由学生进行,教师只是进行适时地引导,学生学习的参与感极强,在教学中促使学生产生学习动力,真正实现“学生主体”。学生可以自行选择蛋白质的展示模式和上色方式,并参与教学过程中的展示环节,例如邀请学生展示上色的蛋白质说明上色依据,从而加深学生对蛋白质多样性的原因的理解。

若只利用视频或是平面图形展示蛋白质,学生只能在视觉上感受蛋白质具有空间结构,学习的主动性并不是很高,在较低的主动性下学生学习的热情也会下降,可能会导致学生降低学习兴趣进而丧失学习动力,无法达成学习目标。

3.3 交互性增强动手能力

RasMol作为一个分子图像软件,具有其他教参材料所没有的特点——人机交互性。能让学生在课堂中“看见”并“触摸”蛋白质,在使用鼠标键盘进行蛋白质缩小、放大、旋转和移动的过程中,感受生物学知识。教师将学生带进计算机教室,让学生在适时地指导下进行软件操作,在自主学习中掌握蛋白质的结构。例如,学生动手操作RasMol观察血红蛋白的结构:首先,通过蛋白质PDB数据库或NCBI的结构总数据库,获取到血红蛋白的PDB文件;其次,打开RasMol软件,导入血红蛋白文件;最后,在RasMol软件界面进行观察,可以在界面中对蛋白质进行拖拽、放大、换色等一系列操作。

利用RasMol软件教学的整个过程都需要学生操作计算机进行,带给学生直观的感受,教师适时地指导减轻学生操作软件的压力并使教学更容易进行,学生在动手操作观察蛋白质结构的过程里,实现了人的能动性与机器的能动性结合,从而实现人机交互。在教学过程中利用生物信息软件,能够让学生成为真正乐学善学的学习者,提高动手操作能力,产生良好的学习动机。

3.4 实践中提高学习成绩

教学实践期间,为验证可视化软件可以在一定程度上提高学生学习能力,选择水平相似的两个班级作为实验班和对照班,将RasMol引入到实验班“蛋白质”教学过程中。对两个班级的蛋白质课后检测进行成绩分析,通过SPSS分析可知,利用RasMol教学的班级,在处理脱水缩合或蛋白质结构问题时能够很好的避开出题陷阱,具有良好的科学思维能力。

导入SPSS进行数据分析的结果表明,实验班后测成绩高于其前测成绩,且P<0.01,出现极显著性差异,说明在复习蛋白质时结合RasMol软件,能够很好地提高学生学习成绩。而对照班两次小测成绩P>0.05,说明对照班在普通教学复习后成绩没有显著提升。

在蛋白质复习后,两班小测成绩利用SPSS进行独立样本T检验得到表1数据,可知实验班的后测成绩明显高于对照班后测成绩,且P<0.01,说明在蛋白质教学中利用可视化软件RasMol能够极显著提高学生成绩。

表1 对照班和实验班成绩后测分析

综上,将RasMol运用于高中生物学教学中能够教学效果。对学生来说,RasMol能够将知识转变为学生容易接受的图形和动画形式,帮助学生理解蛋白质结构,树立结构与功能相适应的生命观念,提高生物模型建构的能力,并在交互过程中为学生创造了动手操作的条件,提高自主学习能力以及创新能力,让学生真正了解生物信息前沿技术,在愉快的学习中乐于科学探索,从而达到建构主义所述意义建构的要求。在构建概念的过程中树立结构与功能相适应的生命观念从而突出重点,有效提高教学效果,进而提高学生空间思维能力。对教师来说,RasMol等可视化软件具有普通教辅工具少有的人机交互功能,新兴软件的使用能够很好的拓展教参渠道,为教学打开新世界的大门。对生物学课堂来说,人机交互形式的软件,给课堂带来更好的师生互动与生生互动,符合建构主义教学理论,可以使生物学课堂变的更加丰富多彩,在教学过程中落实核心素养,实现“学生主体”。