基于“氨基酸及多肽学具”的蛋白质教学探究*

李 鹏 罗 明

（江苏省苏州第一中学校江苏苏州215006）

学具是能够帮助学生学习的一些模型、实物、图表的总称，具有直观性的优势，是学生对抽象概念和理论的理解建立感性和具象的基础。它与教具最关键的区别在于：学具是从学生使用的角度出发设计并由学生亲自动手操作的用具。通过学具构建模型，在“做中学，学中做”中突破学习重点与难点。本文以“生命活动的主要承担者——蛋白质”一节的教学过程为例，对如何利用学具辅助生物学教学进行初步探究。

1 教材编排分析

本节是人教版普通高中生物学必修1《分子与细胞》第2章第2节的内容，与后续将要学习的必修1中的酶、载体、糖蛋白，必修2中基因的表达及必修3中的抗体等知识密切相关，学习蛋白质的结构是理解其功能多样性的基础，有助于建立结构与功能相适应的观点。

2 学情分析

学生缺少一定的有机化学基础，无相应的知识铺垫，教学要求与学生的认知水平跨度较大。例如学生会将氨基酸结构通式理解为是一个平面结构，无法辨识互换化学基团后的氨基酸；对脱水缩合的具体过程、多肽的分子量、氨基酸数、肽键数、脱去水分子数的计算；肽链中至少含有的羧基数和氨基数推算；肽链水解时所需水分子数的计算等也较难掌握。

3 教学目标

1）知识目标:①说明氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程;②概述蛋白质的结构和功能，以及蛋白质多样性的原因。

2）能力目标:①通过对已知信息的分析比较和讨论,锻炼思维能力；②利用学具尝试构建氨基酸及多肽的分子模型,培养动手能力；③通过对多肽结构模型的观察，提高分析推理能力。

3）情感态度与价值观目标:①通过分组构建模型，学生认识到学科间交叉渗透的重要性，培养团队合作精神；②认同蛋白质是生命活动的主要承担者，树立结构与功能具有统一性的基本生物学观点。

4 教学重、难点

1）教学重点：①氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程；②蛋白质的结构和功能。

2）教学难点：①氨基酸形成蛋白质的过程；②蛋白质的结构多样性的原因。

5 教学策略

本节课以“生活导入—问题探讨—构建模型—对比观察—总结规律”的路线，通过分组合作,利用学具从蛋白质的元素组成—基本单位—化学连接—空间结构4个层次开展建模教学,利用Starc电子交互式双板及实物展台,即时呈现学生的实践成果,在操作、体验、合作、分享中突破教学重、难点。

6 课前准备

全班分为6组，每组5人，每组8个氨基酸组件，每个组件（图1）由不同色彩、大小、标识的亚克力球组成，亚克力球代表原子，可通过尼龙连接栓插（图2）进行连接，通过粘贴“丙、甘、色、缬、苯丙、异亮”等标识区分20种R基。

图1 氨基酸组件

图2 尼龙连接栓插

7 教学过程

7.1 课堂引入教师联系生活，情境引入：男生强健的肌肉和女生飘逸的秀发的主要成分是什么?日常生活中哪些食物富含蛋白质？教师用多媒体展示图片资料，并提问蛋白质对人体有何意义？引出课题“生命活动的主要承担者——蛋白质”。

学生在生活经验的基础上回答，明确蛋白质是构成生物体和参与生命活动的基本物质。

7.2 氨基酸是蛋白质的基本单位教师提问：蛋白质是怎样被人体吸收的?

学生回答：蛋白质是大分子有机物，不能被人体直接吸收，必须经消化、分解成小分子的氨基酸才能被人体吸收。

设计意图：基于常识设置问题，引导学生初步理解氨基酸是蛋白质的基本单位。

7.3 构建氨基酸的分子模型教师分发学具并说明。

学生活动1：结合教材及学具说明说出各组件所代表的原子；利用组件分别构建氨基酸的主要基团，并通过实物展台即时呈现学生的构建进程。

设计意图：引导学生从教材文字、图示获取信息，了解构成氨基酸的化学元素和基团。

学生活动2：利用各基团构建完整的氨基酸分子模型。教师请已构建好模型的小组代表上台，展示并说明构建思路，分享心得体会。

设计意图：引导学生由氨基酸结构通式了解各化学基团与中心碳原子的关系。中心碳原子组件设计为4个单键，羧基碳原子组件设计为2个单键和1个双键，学生会因为未观察到上述差异而导致构建失败，由此为学生试错提供了可能，从而使学生对氨基酸的结构有更为深入的理解，并为后续学习脱水缩合及肽键等知识打下基础。

7.4 氨基酸的平面结构教学教师将3种氨基酸的分子式发送至每组电子白板上，布置如下任务和问题:在屏幕上圈出3种氨基酸的共同结构，并提问：上述3个氨基酸的结构区别在哪里?给出谷氨酸和赖氨酸的分子式，要求学生用红笔圈出2种氨基酸的R基并分别数一数2种氨基酸中的氨基数和羧基数。

学生活动1:观察讨论后在电子白板上分别圈出3种氨基酸的异同部分，得出不同氨基酸的区别在于R基上；有些氨基酸含有多个氨基或多个羧基。

教师引导学生总结氨基酸的结构特点，写出氨基酸的结构通式。

结构特点：每个氨基酸分子都至少含有1个氨基和1个羧基,并连在同一个碳原子上；R基种类决定氨基酸的种类。

学生活动2：习题巩固，落实基础。

设计意图：通过构建氨基酸分子模型，引导学生由教材图像模型构建物理模型，进而向概念模型转换，从不同途径和多个角度加深对氨基酸结构的理解，促进学生高阶思维，回归课程目标。

7.5 构建二肽、三肽及多肽分子模型教师指导学生阅读教材，学习氨基酸形成蛋白质的结构层次，引导学生思考2个氨基酸之间的连接方式。

学生活动1：讨论、发言，了解“脱水缩合”“二肽”“多肽”“肽链”等概念。

学生活动2：利用已构建的氨基酸模型构建二肽及多肽模型，每组可构建1条含有较多氨基酸的多肽，组间合作可构建更长的多肽。实物展台同步呈现学生构建的进程。

教师请小组代表上台展示多肽模型（图3），并叙述氨基酸经脱水缩合形成多肽的具体过程，同步演示脱水缩合的动画过程，引导学生总结脱水缩合规律。

图3 多肽模型

设计意图：学生往往对氨基酸的脱水缩合的具体过程感到较为抽象，例如氨基和羧基分别脱去了什么，脱去水分子中的H原子和O原子分别来自哪个基团？氨基酸数、肽键数、脱去水分子数、肽链条数之间的关系是什么？肽键的化学结构是怎样的？为什么1条肽链至少含有1个游离的氨基和1个游离的羧基？建构主义知识观认为，学生不是知识的接受者,而是知识的自主建构者。学生根据已有概念经验进行联想推测,利用学具模拟构建呈现自己对脱水缩合过程的理解和重构，从而实现概念模型向物理模型的转换，也反馈促进了对概念和知识的理解，同时也为构建、抽象出氨基酸脱水缩合的数学模型，即肽链中氨基酸数、肽键数和脱去的水分子数相关计算等打下基础。

7.6 蛋白质结构多样性和特异性的教学教师引导学生观察、比较相邻小组构建的多肽模型。

学生活动：组间比较不同多肽模型的异同点，思考不同多肽的氨基酸之间的连接方式是否相同？氨基酸的种类、数目和排序是否相同？20种氨基酸是否能够构成1012种蛋白质？小组经讨论后派代表发言。

教师小结多肽及蛋白质多样性的原因：氨基酸的数目、种类、排序，以及肽链的空间结构千差万别导致了蛋白质结构多样性。

设计意图：让学生通过思考、交流、合作,设计完成任务的方案,构建小组学习共同体。学生构建的多肽模型并不都是线性的平面结构，可能会由于氨基酸组件之间的连接角度不同而呈现多样、弯曲的立体结构；此外在推算1条多肽中的肽键数时，大部分学生会得出（n-1）个的结论，但有的学生突发灵感，将多肽模型首尾的氨基和羧基进行脱水缩合，形成1条环状多肽，从而得出不同的结论。学具提供了学生思维和实践的新平台，创设冲突情境,引发思想碰撞，刺激个体反省，开拓了更广阔的思维空间；引导学生在观察中比较，在思考中归纳，实现了对知识的理解，从外化和感性的学具转变为学生的主体思维和概念。

7.7 多肽水解的延伸教学教师指导学生将多肽模型水解为氨基酸。

学生将多肽模型拆解为单个氨基酸组件，理解蛋白质在水的参与下分解成氨基酸的过程，了解脱水缩合与水解反应的关系，以及肽链合成时脱去的水分子数、多肽水解所需的水分子数、肽键数的关系。

设计意图：充分利用学具，使盲目地将多肽模型拆散回学具组件的过程转变为有目标的延伸性学习过程。模型的拆分过程也是一种逆向的模型构建过程，可加深学生对本节核心概念的理解，提升思维的灵活性和延展性，同时也促进学生熟练掌握并应用知识原理完成目标的达成，真正建立了学具和学习者认知结构中抽象概念的实质性联系。

7.8 蛋白质功能多样性的教学教师展示相关图像与资料，结合学生的课前预习，请学生联系生活实际叙说蛋白质的功能。教师及时捕捉学生回答中体现蛋白质功能的关键词，让学生把握重点，加深记忆。强调“蛋白质结构与功能相适应”的观点，回归主题“生命活动的主要承担者——蛋白质”。

7.9 效果评价，课堂总结教师小结：本节课学习了氨基酸的结构,组成蛋白质的氨基酸共有20种，区别在R基上,氨基酸经过脱水缩合形成多肽，多肽经过盘绕折叠形成具有一定空间结构的蛋白质，蛋白质结构多样性决定了功能的多样性。

学生进行针对性练习，利用学具辅助理解问题，并自我评价学习效果。

设计意图：运用重要概念引领，小结本课主要内容，强化知识运用和迁移能力，对学生的学习效果进行判断、评价。

8 教学反思

1）利用学具组件将氨基酸和多肽的模拟构建贯穿于教学过程中，让学生分组构建分子模型，通过“做中学，学中做”，使抽象的生物学知识具化、简化、易化。学生可不断从直观模型出发，推理原型的属性，与传统教学相比更有利于学生理解“氨基酸是蛋白质的基本单位，蛋白质的结构与功能相适应”等重要知识点，保持更长久的记忆。

2）本节课在氨基酸的结构、脱水缩合、蛋白质的多样性和特异性、多肽的水解4个环节使用了学具，通过构建活动串联教学内容，依据学生的最近发展区设置梯度任务，完成课程目标。教学设计引入自然、过渡流畅、层层推进、重点突出。

3）在分小组构建模型的过程中，组员如何分工？是否全部参与到模型构建过程中？模型构建过程是否高效？教师在一节课的时间内还无法做到全面兼顾，也会因学生对学具的熟悉度不够、经历的模型构建较少、动手和思维能力的差异、操作时间的限制等因素使最终的教学效果受到一定影响，有待今后进一步研究。

［1］罗明.核酸学具模型开发与应用的研究及思考.生物学通报,2016,51(5):34.

［2］罗明.一种氨基酸及多肽模型:中国，ZL 2015 2 0610871.5.2015－12-16.