落实生物学核心素养的教学设计——以“蛋白质是生命活动的主要承担者”为例

蒋贇婷 徐丹丹 韩 菲*

（1.安徽师范大学生物教育研究中心 安徽芜湖 241000）

（2.安徽师范大学附属中学 安徽芜湖 241000）

1 教材分析

“蛋白质是生命活动的主要承担者”是人教版新教科书《必修1·分子与细胞》中的第二章“组成细胞的分子”第四节。此内容涉及《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）中的“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”大概念。《课程标准》中要求学生能够阐明蛋白质通常由21种氨基酸分子组成，它的功能取决于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。本节课从知识的体系看，起着承上启下的作用，承接本章第一节中“细胞内含量最多的有机化合物是蛋白质”，启示后续学习酶、抗体、激素和中心法则等知识。从内容设置上看，本节课由蛋白质的功能、蛋白质的基本组成单位——氨基酸、蛋白质的结构及其多样性这三部分组成。另外，教科书通过问题探讨、本节聚焦、思考讨论、与社会的联系以及生物科学史话等栏目结合图文串联教科书内容，符合学生认知和思维的发展规律。在教学中，教师要结合学生生活实际，通过模拟实验、引擎搜索、演示实验以及思维导图的梳理，使学生深入理解结构与功能观，从而感知生命观念，体验探究的乐趣，培养科学思维及社会责任。

2 学情分析

学生已经了解甲烷、乙酸、氨气等物质，理解蛋白质是细胞内含量最多的有机化合物、有关食物中蛋白质消化吸收的内容。通过对前面“细胞中的元素和化合物”“细胞中的无机物”“细胞中的糖类和脂质”这几节的学习，学生的思维方式开始由形象思维能力为主向抽象思维能力为主转化。通过“细胞中的元素和化合物”中检测生物组织中的蛋白质实验，学生已经掌握用化学显色剂来检验特定物质。通过第一章“走进细胞”的学习，学生已经形成一定的社会责任意识，如保护生态、保护环境。

但是，学生还没有掌握以下知识：氨基酸是蛋白质的基本组成单位；氨基酸的分子结构；蛋白质种类多样的原因；蛋白质的结构与功能相适应。学生还不能用结构与功能观认识蛋白质的多样性，形成科学的自然观和世界观，并以此指导探究生命活动规律，解决实际问题；也不能运用模型与建模的思维方式阐释蛋白质多样性的原因。学生需要认同蛋白质与人体营养、健康等密切相关，认同健康的生活方式。

3 教学目标

①通过讨论蛋白质类型，思考糖尿病的治疗措施，认同蛋白质对生命的重要性，能够崇尚健康文明的生活方式，成为健康中国的促进者和实践者。

②利用“拼装氨基酸结构分子模型”和“回形针”模拟实验，通过模型与建构的思维方式，建立结构与功能相适应的生命观念。

③利用网络引擎搜索“protein structure”，获取蛋白质结构的信息，筛选、总结归纳有关蛋白质四级结构的信息，基于事实和证据阐释蛋白质多样性的原因。

④通过设计“检测蛋白和蛋清中的肽键”实验，应用科学探究的基本思路和方法，深入学习蛋白质的结构以及蛋白质变性的本质。

⑤通过融入“世界第一个人工合成蛋白质的诞生”科学史，认同探究是一个不断发展的过程，同时认识到科学家勇于探索、坚持不懈的科学精神。

4 教学重点、难点

教学重点：蛋白质的功能和结构；氨基酸的结构特点及其形成蛋白质的过程。

教学难点：氨基酸形成蛋白质的过程；蛋白质的结构和功能多样性的原因。

5 教学过程

5.1 真实情境，激趣导入

教师播放关于“糖尿病”的视频，提出问题：糖尿病的类型有哪些？胰岛素的作用机制是什么？结合生活实际想一想，蛋白质与人类的生命活动还有哪些联系？这样引出本节的学习内容“蛋白质是生命活动的主要承担者”。

设计意图：教师利用“糖尿病”社会的热点问题导入新课，激发学生的学习兴趣。糖尿病是生活中较为常见的疾病，学生对其有一些基本的认知，知道胰岛素是能够治疗糖尿病的药物。这样的导入能够让学生关注“如何治疗糖尿病”这个社会议题，促进学生参与讨论并作出理性解释，从而认同健康文明的生活方式，成为健康中国的促进者和实践者。并且，目前国内外的考试评价都趋向于考查学生在真实情境下的应用能力，教师借此机会可以帮助学生深度理解胰岛素的作用机制以及糖尿病的类型，拓宽学生的视野。

5.2 蛋白质的基本组成单位——氨基酸

教师出示“手术过程中使用的缝合线”图片，展示资料，引导学生思考：手术缝合线是从某些动物组织中提取的胶原蛋白制作而成的。为什么这种缝合线可以被人体组织吸收？它能被人体组织直接吸收吗？若不能，那这种缝合线是发生什么化学变化才能被吸收？

作为手术缝合线的胶原蛋白之所以能被人体组织吸收，是因为胶原蛋白能被分解为可以被人体吸收的氨基酸。由此，教师引出“氨基酸是组成蛋白质的基本单位”。

接着，教师结合“思考讨论”栏目，引导学生观察4种氨基酸的结构，总结这些结构的共同特点，寻找“氨基酸”这一名词与其分子结构的对应关系。

然后，教师介绍氨基酸分子模型指出代表氨基、羧基、R基和H的部分。学生结合刚刚的观察和讨论，两人一组，试着装出甘氨酸和丙氨酸的分子模型。学生组装后的作品如图1和图2所示。组装完成后，学生尝试画出氨基酸分子结构通式。

图1 学生作品甘氨酸分子模型

图2 学生作品丙氨酸分子模型

设计意图：学生对比4种氨基酸的结构，找出异同点；并通过组装甘氨酸和丙氨酸的分子模型，深刻理解氨基酸的分子结构；并以此模型构建氨基酸分子结构通式，画出结构通式，发展科学思维。

5.3 蛋白质的结构及其多样性

教师出示资料，引发学生产生认知冲突：在人体中，组成蛋白质的氨基酸只有21种；而人体中的蛋白质多达10万种以上。为什么氨基酸的种类如此有限，却构成了种类繁多、功能多样的蛋白质呢？

接着，教师组织学生开展“回形针”模拟实验。教师结合动画，讲解氨基酸脱水缩合的过程。学生用不同颜色的回形针模拟氨基酸脱水缩合形成肽链，体会由于氨基酸的种类和排列顺序的不同可以脱水缩合成种类繁多的肽链。

教师介绍“雅虎”搜索引擎，并现场输入“protein structure”得到英文图片资料（图3），引导学生翻译英文资料，得到有关蛋白质四级结构的知识。

图3 网络搜索“蛋白质的四级结构”截图

设计意图：结合动画讲解脱水缩合的过程更直观，学生更易理解。另外，学生用不同颜色的回形针模拟脱水缩合形成肽链，构建肽链形成的模型，培养了模型与建构的科学思维。教师介绍搜索引擎的使用，教会学生查找、筛选、总结归纳信息，提升学生收集信息、解决问题的能力。学生翻译英文资料，一方面满足不同学生的学习需求，增加学习的趣味性；另一方面引导学生关注生物学前沿，能够基于搜索到的“蛋白质四级结构图”，运用模型来阐述蛋白质种类以及功能多样的原因，从而发展了学生的科学思维。

教师介绍蛋白质变性的含义和原因，结合“蛋白质鉴定实验”，引导学生设计实验以检验蛋白质变性的本质是蛋白质的空间结构改变而肽键没有断裂。

设计意图：在前面“蛋白质鉴定”实验中，学生已经清楚实验原理是Cu2+与肽键在碱性条件下形成紫色络合物。学生通过设计检验蛋白质变性本质是蛋白质的空间结构改变而不是肽键断裂的实验，能够发现现实世界中的生物学问题，并且能够进行提问、实验设计、方案实施以及对结果进行交流与讨论。另外，学生在探究的过程中，能够增强对自然现象的好奇心和求知欲，培养创新精神，进而提升科学探究的能力。

5.4 蛋白质的结构与功能相适应

教师展示蛋白质功能举例的图片，引导学生思考：正是由于不同种类氨基酸的排列顺序千变万化，肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构千差万别，才造就了蛋白质分子结构的多样性。那么，蛋白质在人的生命活动中都有哪些功能呢？

教师出示人正常血红蛋白的空间结构和镰状红细胞的图片，提出问题：每一种蛋白质分子都有与它所承担功能相适应的独特结构。如果氨基酸序列改变或蛋白质的空间结构改变，会不会影响功能呢？

设计意图：教师深入挖掘教材，促进学生树立蛋白质的功能与结构相适应的生命观念，使其认识到每一种蛋白质分子都有与它所承担功能相适应的独特结构，如果氨基酸序列改变或蛋白质的空间结构改变，会影响它的功能。

5.5 世界上第一个人工合成蛋白质

教师展示我国结晶牛胰岛素合成的资料，结合科学史讲解世界第一个人工合成蛋白质的过程，使学生了解我国在蛋白质合成方面的巨大成就，学习科学家勇于探索、坚持不懈的科学精神。

5.6 利用思维导图，深化科学思维

教师在教学过程中，用思维导图的形式呈现板书内容（图4）。在讲授完新课后，让学生以思维导图的形式总结“蛋白质是生命活动的主要承担者”这一节的科学概念。

图4 思维导图及板书设计

设计意图：通过对思维导图的梳理，学生对蛋白质的结构与功能有了更深刻的认识，并且充分发展了归纳与概括的能力，从而培养了科学思维。

6 教学反思

本教学设计将核心素养中的生命观念、科学思维、科学探究和社会责任融入到“蛋白质是生命活动的主要承担者”这一节课程内容中（图5）。教师结合学生生活实际，通过模拟实验、网络引擎搜索、演示实验以及思维导图的梳理，让学生深入理解结构与功能观，从而让学生感知生命观念，并且在这个过程中体验探究的乐趣，培养学生的科学思维及社会责任。

图5 蛋白质的结构与课堂教学融入核心素养的路径图（改编自荆林海图）

教师列举贴合学生实际的科学例子，更容易激起学生的共鸣，提高学生的课堂参与度。实施适当的动手操作有助于提升学生的学习积极性，让抽象的知识变得直观和具体，使科学概念的学习落实更到位。另外，“授之以鱼不如授之以渔”，教师要注意教会学生检索信息的方法，提升学生收集信息的能力。在教授新课的过程中，教师以思维导图的形式展示板书，为学生搭建了知识网络，促进学生更好地吸收所学知识。学生在课后梳理了思维导图，发展了归纳概括能力。思维导图有助于促进思维发展的多向性、综合性和跳跃性，它赋予思维以最大的开放性和灵活性，有利于培养学生的联想思维、类比思维、形象思维、灵感思维、辨证思维及创造思维，有利于提高思维的连续性、深刻性、批判性等思维品质。试想若今后在进行板书设计时，把对应的科学知识经过加工处理设计成思维导图的形式展示给学生，让学生借助教师的点拨进行梳理和领悟，更能有效地达成教学目标，发展学生的科学素养。