5E 教学模式视角下的高中生物学建模教学——以“蛋白质是生命活动的主要承担者”教学为例

周月梅

（龙海第一中学，福建 龙海 363102）

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》明确指出“模型与建模”是重要的科学思维方法，要求学生学会运用“模型与建模”探讨、阐释生命现象及其规律，解决真实情境中有关生物学问题，提升科学思维能力，发展生物学学科核心素养。［1］5E 教学模式是基于社会建构主义理论的一种探究学习模式，一般由吸引、探究、解释、迁移及评价等5 个环节组成，有助于学生构建科学概念及概念体系，促进学生主动参与科学探究及实践活动，发展演绎、归纳、概括、建模、批判性思维及创造性思维等科学思维能力。［2］根据5E 教学模式及其教学要求，笔者尝试在高中生物学教学中开展建模教学实践与研究，现以2019 年版人教社《生物学·必修1·分子与细胞》第2 章第4 节“蛋白质是生命活动的主要承担者”教学为例，探索5E 教学与建模教学有机结合路径。

一、创设“吸引”学生学习的问题情境

“吸引”是5E 教学模式的关键环节，要求教师创设问题情境，激发学生的学习兴趣及探究欲望，为“探究”环节奠定学习基础。

“蛋白质是生命活动的主要承担者”这节课的导入环节，首先，创设问题情境“为什么《中国居民膳食指南（2016 年版）》推荐每天都要吃一颗鸡蛋？你知道鸡蛋蛋白质进入人体消化道后经历了哪些变化？蛋白质是以何种形式进入人体细胞内的？”指导学生观察消化系统示意图及消化腺示意图，复习有关蛋白质消化等知识，了解摄入的鸡蛋蛋白质进入消化道后，经过胃蛋白酶、小肠中胰蛋白酶、胰肽酶等多种酶的作用，形成蛋白质的基本单位氨基酸后才能被人体细胞吸收。进一步创设问题情境“蛋白质具有哪些功能？为何说蛋白质是生命活动的主要承担者？”引导学生开始本节有关蛋白质结构与功能知识的学习。

根据5E 教学模式“吸引”环节的教学要求，创设与现实生活密切相关的问题情境，引导学生利用有关蛋白质消化等知识，初步建立“氨基酸是蛋白质的基本单位”的认识，激发学生产生探究“蛋白质结构与功能”的好奇心及兴趣。

二、应用模型开展建模“探究”

“探究”是5E 教学模式的主体环节，根据教学目标引导学生进行探究，要求学生观察现象，识别变量，透过现象总结生物学本质规律。

首先，创设问题情境：为什么蛋白质的基本单位叫氨基酸，其结构有何特点？人体从鸡蛋中获取的氨基酸又是如何在细胞内合成功能如此多样的蛋白质？接着，组织学生围绕氨基酸的结构、多肽合成过程及蛋白质结构的多样性等开展小组合作建模探究活动。

（一）建构氨基酸结构模型

教师展示球棍模型，并简要解释其使用方法，要求学生尝试建构水（H2O）、氨气（NH3）、甲烷（CH4）等球棍模型。再引导学生类比构建氨基（-NH2）、羧基（-COOH）等化学基团模型，并要求学生构建甘氨酸和丙氨酸等氨基酸模型（图1），比较分析甘氨酸和丙氨酸结构异同点，理解氨基酸是由碳原子构成的碳链为基本骨架的单体，得出氨基酸结构通式。

图1 甘氨酸（左）和丙氨酸（右）球棍模型

（二）建构二肽结构模型

指导学生观看有关氨基酸“脱水缩合”的视频，促进学生直观地认识多肽合成过程。接着，让学生利用已经构建成功的甘氨酸和丙氨酸球棍模型，建构二肽结构模型（图2），探究脱水缩合过程产生的水分子分别来自氨基酸的哪个基团？从而形成脱水缩合、肽键、二肽等概念。并指导学生利用有关化学知识比较分析二肽模型的氨基端和羧基端，让学生明确同样两种氨基酸，若排列顺序不同，则所形成的二肽是不同，为后续分析蛋白质结构多样性的原因奠定基础。

图2 二肽球棍模型

（三）建构蛋白质结构类比模型

以纽扣模拟氨基酸、软铁丝模拟肽键及纽扣串模拟肽链，使得上述球棍模型进一步简化为纽扣串实物模型。每一小组分发4 条纽扣串，其中一条是由8 个红纽扣串成，两条分别由3 个蓝色、3 个黑色、2 个红色钮扣串成，还有一条则随机由大小不同、颜色不同的11 个纽扣串成。首先，要求学生比较分析四条纽扣串的纽扣种类、数目及其排列顺序，以此构建蛋白质一级结构类比模型（图3）。再让学生根据自己的意愿把一条或多条纽扣串折叠形成不同的纽扣团，应用这些纽扣团建构蛋白质复杂的空间结构模型，促进学生直观地认识蛋白质结构的多样性。

图3 蛋白质一级结构类比模型

根据5E 教学模式“探究”环节的教学要求，应用化学球棍模型、生活实物及一系列递进式问题情境，指导学生开展三个循序渐进的建模探究活动，帮助学生直观、感性地认识氨基酸结构、多肽合成过程以及蛋白质结构多样性，在质疑、释疑与评价中，建立与理解有关氨基酸、脱水缩合、多肽、蛋白质等生物学重要概念，提升归纳与概括、分析与综合能力。

三、在“解释”中理解生物学概念

“解释”是5E 教学模式的关键环节，引导学生解释探究过程及探究结果是本环节的重点。课堂教学时，有机结合建模探究、解释及评价等环节，促进学生深度学习，有助于学生正确理解科学概念。

例如，建构氨基酸结构模型时，要求学生展示、分析及相互评价各组建构的模型，引导学生求同归纳氨基酸结构通式，解释构成生物体的氨基酸有21 种的原因是R 基的不同而导致的。同时，教师重点强调氨基酸至少皆含有一个氨基（-NH2）及一个羧基（-COOH）。建构二肽模型时，将学生构建的典型的二肽模型拍成视频，应用“希沃小助手”软件分享给全班学生，并要求学生解释：氨基酸的排列顺序是否是固定的？生成的水到底是由什么基团提供的？纠正学生有关氨基酸的结构特点、氨基酸的序列、蛋白质的空间构象等错误认识，促进学生认识到两种氨基酸无论如何排序。只要找准化学基团就能构建二肽，若两小组相互配合则能成功构建四肽，以此类推可以构建多肽链。建构蛋白质结构类比模型时，要求学生观察教科书中的“由氨基酸形成血红蛋白的示意图”，并结合蛋白质结构类比模型解释细胞合成蛋白质的过程是：氨基酸脱水缩合形成具有一定氨基酸（残基）排列顺序的肽链，构成蛋白质的一级结构，肽链折叠或螺旋构成蛋白质的二级结构，具有二级结构的肽链借助二硫键、氢键等化学键进一步折叠、卷曲形成更复杂的三级结构，如肌红蛋白，由多个三级结构相互结合形成更复杂的空间构象——四级结构，如血红蛋白。并让学生明确蛋白质多样性的原因是：组成蛋白质的氨基酸的种类、数量、排列顺序不同，以及肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构不同。

根据5E 教学模式“解释”环节的教学要求，创设问题情境，引导学生展示模型、解释建模探究结果，促进学生通过建模及生物学事实，探讨与阐释有关生命现象。同时，教师纠正学生解释过程中暴露的前科学概念，解决学生建模探究过程中生成的问题，及时调整教学策略，提高建模教学的有效性与针对性。［3］

四、在“迁移”应用中形成生命观念

“迁移”环节要求教师引导学生通过实践与练习，加深对概念的理解与应用，促进学生形成生命观念。

例如，通过有关脑啡肽结构与功能习题的练习，促进学生进一步理解氨基酸、蛋白质的结构与功能，形成有关氨基酸、蛋白质结构的概念模型。并要求学生分析有关资料：1.血红蛋白中的缬氨酸取代了谷氨酸，使得红细胞扭曲成镰刀状，运输氧的能力大为削弱。2.鸡蛋煮熟后，蛋白质的空间结构伸展与松散，使得鸡蛋再也不能孵化出小鸡。尝试解释：蛋白质结构和功能有什么关系？促进学生明确：每种蛋白质分子皆具有与其所承担功能相适应的结构，若改变氨基酸序列或者是蛋白质空间结构发生变化，就会影响其功能，即蛋白质结构决定蛋白质的功能。进一步指导学生阅读教科书有关“蛋白质的功能举例”，深刻理解蛋白质多样性功能与其结构多样性是密切相关的，认同“蛋白质是生命活动的主要承担者”。

通过当堂练习及资料分析，促进学生在新的问题情境中迁移、应用所学的生物学概念，尝试解决实际问题或者解释有关生命现象，形成蛋白质结构多样性决定其功能多样性，即有关“结构与功能相适应”的生命观念。［4］

五、以概念模型助力交流与“评价”

“评价”环节应用综合问题或开放性问题检测、反馈学生对新知识的理解与应用情况，促进师生双方在交流与评价过程中，发现、改进教与学中存在的问题。

例如，要求学生以蛋白质、氨基酸、脱水缩合等生物学概念，建构“蛋白质结构与功能关系”概念模型（图4），帮助学生在感性认识的基础上，通过反思、完善与修正模型，建构有关蛋白质结构与功能概念体系，同时学会建模方法。并要求学生应用所学知识评价：民间“吃啥补啥”或“以形补形”的说法正确与否。促进学生灵活应用生物学概念及生命观念解决现实生活中与生物学相关的社会性问题。

图4 “蛋白质结构与功能的关系”概念模型

此外，“评价”还穿插于本节三次小组合作建模探究活动及“解释”等环节，引导学生相互评价、纠正所建构的模型及解释，鼓励学生勇于发表不同观点，促进学生发展团队合作能力、表达能力、批判性思维能力及创造性思维能力。

本节“蛋白质是生命活动的主要承担者”教学聚焦生物学学科核心素养培育这一高中生物学课程目标，根据具体教学内容及教学目标灵活调整5E 教学模式的5 个环节，使得5E 教学模式与建模教学有机结合，引导学生主动参与建模探究活动，在建立、理解与应用生物学概念过程中，发展科学思维能力与科学探究能力，形成生命观念与社会责任担当。