基于深度学习理论的蛋白质结构与功能观主线式教学案例

王玺 张健

摘要： 为实现深度学习，引导学生形成系统的生物学概念从而建立生命观念，教师需要采取创新的手段来呈递学科内容，促进学生自主地对知识进行深度加工，体验有趣的探究学习过程，从知识规律中获取正确的价值观。本文以一节课的教学内容为例，这节课以小明同学意外摔伤后的生活体验为故事背景，关联学生已有的、未知的知识点，并利用层层设问的方式，推动学生积极参与学习过程。

关键词： 深度学习  核心素养  主线  情境教学

传统的学科课堂常采取以教授知识为目标的教学模式，教师只关注学生是否掌握了对蛋白质基本单位的了解及对蛋白质结构的初步认识。学生的学习是低水平的理解，很难将所学内容迁移应用到生活中去，产生学以致用的价值体验。因此，要培养学生的高阶思维，形成概念性理解，帮助学生完成有效学习的意义建构是学科教学的重心任务之一。

所谓“深度教学”，是指教师借助一定的活动情境带领学生超越表层的知识符号学习，进入知识内在的逻辑形式和意义领域，挖掘知识内涵的丰富价值，完整地实现知识教学对学生发展的价值。为实现深度学习，引导学生形成系统的生物学概念从而建立生命观念，教师需要采取创新的手段来呈递学科内容，促进学生自主地对知识进行深度加工，体验有趣的探究学习过程，从知识规律中获取正确的价值观。

生活常识与小故事往往贴近学生的个人经历，能够有效地吸引学生的注意力。将生活情境与问题情境融合，是启发学生积极思考和主动建构的有效途径。蛋白质的相关知识点与实际生活关系紧密，如婴幼儿最主要的食物来源是牛奶中的蛋白质，机体抵御病原体的抗体是蛋白质，促进消化的多酶片是蛋白质，等等。教师在引导学生认识蛋白质的概念時，可引入生活实例，作为传递知识的良好素材。本文以一节课的教学内容为例，这节课以小明同学意外摔伤后的生活体验为故事背景，关联学生已有的、未知的知识点，并利用层层设问的方式，推动学生积极参与学习过程。

一、教学目标

1.通过小明的生活经历，了解蛋白质功能的多样性，实现自我体验与成长。

2.通过四组图片比较四种不同的氨基酸，总结其结构特点。认识到氨基酸是蛋白质的基本单位，提高生物学素养。

3.通过自主建构，活动模拟，理解氨基酸脱水缩合的过程，明白蛋白质结构多样性的原因。

4.围绕蛋白质结构与功能多样性的事实展开讨论，进一步形成结构与功能相适应的生命观。

二、教学重难点

1.氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程。

2.蛋白质的结构多样性及其形成原因。

三、教学过程

（一）创设情境，趣味导入

生活中，学生可能都有过摔伤的经历。同学小明走路玩手机意外摔伤，被送往医院做了缝合手术。（设计意图：在学科教育中渗透生活教育，以反面素材让学生意识到走路分神玩手机的危害，引导学生养成良好的生活习惯）医生说用的是胶原蛋白缝合线，这种线可以被组织吸收，且不需要拆线。教师以小明主人翁的视角向大家提出问题：这种缝合线需要经过怎样的化学变化才能被组织吸收呢？由此引入新课，调动学生的学习积极性。（设计意图：将德育与学科教育相结合，引导学生辩证地分析小明同学贪玩也好学的行为，在学习的过程中适当投入个人情感，不仅可以促进学生对知识的有效吸收，更能促进青少年的心理发展）

在小明住院的那几天，他观看了在东京奥运会男子100米半决赛上苏炳添创造亚洲纪录的过程，小明和大家一样感到热血沸腾。热爱思考、善于发现 问题的小明心想：苏炳添的力量源自于他健硕的肌肉，而怎样才能练就这样的体质呢？肌肉的化学成分是什么？什么物质能够为肌肉细胞输送氧 气呢？

小明在住院期间发现，医院工作人员每天都会做好消毒工作。小明不解，空气中有那么多细菌病毒，以前并未时时消毒也不会染病。人体是如何抵御外来病原体保持健康的呢？由此引出抗体的概念，并予以介绍。

小明手术后，亲戚朋友都打电话慰问表示关心。七大姑八大姨都让小明多喝鱼汤、吃鸡肉补充营养，提高免疫力。小明觉得很有道理，但又说不出什么理由，他思考如若直接饮用抗体制剂，机体免疫力是不是会更强？向学生询问原因，请学生讨论分析。

小明隔壁病床的老爷爷需要定期打针，小明关心且好奇地问他为什么打针？注射的是什么药物？教师以老爷爷视角引出胰岛素，介绍糖尿病患者的治疗方法，及胰岛素相关知识。提问：胰岛素能否口服使用？一定需要注射吗？以此作为伏笔，为学生了解结构与功能的关联做好铺垫。

终于小明出院了，妈妈做了一桌好菜，小明吃多了，结果消化不良很不舒服，妈妈买了多酶片给他服用，并嘱咐他要整片吞下，不能嚼碎。小明好奇地问：为什么服用多酶片可以促进消化呢？为什么服用多酶片必须整吞？引导学生交流讨论作答。在此教师创设问题情境：同样是蛋白质的化学成分，为何胰岛素必须注射，而多酶片可以口服？学生在认知上会形成巨大的冲突，为了弄清原理，学生产生好奇心。为了解决这些问题，学生首先需要汲取基础概念，并在概念理解的基础上，利用意识思维进行深度思考，才能将知识有序化、系统化。

教师请学生总结生活中提到的有关蛋白质的功能，并记录问题。

（二）围绕课题，层层设问

小明有个刚出生没多久的堂妹，对常规奶粉里的蛋白质过敏。他记得妈妈曾说过医生建议家人给小堂妹喝氨基酸奶粉。他不解为什么吃不了蛋白质食品，却可以吃氨基酸奶粉？氨基酸和蛋白质之间有什么关系？若要帮助小明同学解答以上问题，需要了解蛋白质的基本结构及氨基酸形成蛋白质的过程。教师引导学生带着任务学习：首先在课本中圈出四种氨基酸相同的部位和特殊的部位。

教师介绍氨基酸共有结构区域（化学基团）后，请学生尝试将打乱的氨基酸分子的各个基团重新拼接到一起。

教师询问：组成生物体的氨基酸的R基有多少种？并创设情境：假如一个人坐飞机失事流落到孤岛上，那里只有玉米可以吃，若这个人被困在岛上几个月只能吃玉米，往往会营养不良。因为玉米缺少赖氨酸，而成人的细胞不能合成赖氨酸。赖氨酸属于必需氨基酸，得依靠摄取食物才能获得。进一步提问：类似这样的氨基酸有几种？由此引出必需氨基酸和非必需氨基酸的概念。

教师展示课件（见图1），请学生讨论作答：以下分子是不是组成生物体的氨基酸？

教师提问：3为什么不是组成生物体的氨基酸？4的R基在哪里？这说明了什么？5是不是组成生物体的氨基酸？学生思考作答，并尝试总结作为组成生物体的氨基酸需要满足的结构特点：至少有一个氨基和一个羧基，连在同一个中心碳原子上。教师介绍：5是组成人体的第21种氨基酸，叫硒代半胱氨酸。Se原来的位置如果是一个硫原子，那么它就是半胱氨酸。教师进一步提问：组成生物体的氨基酸一定含有哪些元素？可能含有什么元素？

请学生观看教材中的插图，并尝试描述氨基酸之间如何进行连接。为学生提供多种彩色的帽子（代表R基）、多只绿色手套（代表氨基）、相等数量的黄色手套（代表羧基）、蓝色小夹子（代表氨基脱下的氢原子）和红色小夹子（代表羧基脱下的氢和氧原子），引导学生参与活动，模拟氨基酸脱水缩合的反应过程。教师给予点评和升华，侧重脱水缩合知识点教学。

家人曾经尝试给小明的堂妹口服过适度水解的奶粉，但仍有过敏情况出现。小明的堂妹只能喝完全水解的氨基酸配方奶粉。教师提示适度水解奶粉里的主要成分是多肽。多肽和氨基酸及蛋白质有什么关系？多肽是不是蛋白質？蛋白质形成过程中经历了哪些结构层次？学生作答：氨基酸脱水缩合形成的多肽，需要通过加工折叠后，才能形成有空间结构的蛋白质分子。教师进一步提问：一种蛋白质分子中一定只有一条肽链吗？若有几条肽链，它们如何组成一个蛋白质分子？指导学生阅读课本，观看课件，引出氢键和二硫键。

教师继续介绍：小明在生活中善于观察，从细微事物中发现问题，他知道鱼肉和鸡肉都是蛋白质，但他不明白为何两种蛋白质不同，它们的结构因何 不同？

教师给出图示模型，引导学生讨论分析蛋白质结构多样的原因。

（三）贯通概念，学以致用

学生了解了蛋白质的结构，教师提问：镰状红细胞是怎么造成的？学生看书讨论作答：血红蛋白的结构发生改变，严重影响了血细胞的结构。教师总结：如果蛋白质的结构发生改变，其功能往往也会发生改变。教师在此基础上进一步提问：能不能从结构与功能相适应的角度思考为什么服用多酶片必须整吞？胰岛素能否口服，一定需要注射吗？抗体能口服吗？学生热烈交流讨论，一致认为：若嚼碎口服，胃里的特殊酸碱环境可能会破坏多酶片成分，并且消化道内有消化酶会破坏胰岛素和抗体的结构，从而导致药效流失。教师补充介绍：蛋白酶、肠肽酶等会破坏蛋白质中的肽键，故而可将蛋白质水解为多肽和氨基酸。学生因此也明白了小明最初的疑惑：作为手术缝合线的胶原蛋白需要经过酶的水解作用才能被组织细胞吸收。另外值得关注的是：多酶片的外层是淀粉酶、胃蛋白酶，内层是肠溶衣片包裹的胰蛋白酶。该药片不能嚼碎，原因是内部的胰蛋白酶暴露在胃酸环境下会丧失活性。抗体也不能口服，但新生儿可通过口服母乳获得其中的抗体IgA，这种抗体可以防止病原体吸附在黏膜表面，从而抑制病菌的入侵。婴儿肠道黏膜的分泌物内含分泌片，可以封闭IgA抗体的蛋白酶敏感位点，使其在富含蛋白酶的黏液中存在更长的时间，如此才能在消化道黏膜上较为稳定地发挥防御作用。

深度学习可以促进学生跨情境进行知识迁移，利用一般规律解释现象背后的本质。教师可以利用以下几个生活常识小问题，检验学生的学习效果，培养学生思维的灵活性与认知问题的深刻性。

（1）嫩肉粉含有木瓜蛋白酶，其为什么可以使肉质变松软？在什么时候可以使用？

（2）煮熟的鸡蛋为什么更容易消化，煮熟的鸡蛋还能返生孵化出小鸡吗？

（3）酒精为什么可以消毒，其有何作用？

学生若是形成了结构与功能的生命观，可以联想到酶、酒精和高温都会破坏蛋白质的结构，从而使其失去活性。教师进一步提问：酶对蛋白质的作用实质是催化其内部的肽键断裂，而酒精和加热也是通过断裂肽键从而破坏蛋白质结构的吗？学生阅读课本可知二者是改变蛋白质的空间结构而导致变性的。教师可继续引导学生比较蛋白质水解与变性的异同之处。

（四）构建网络，深度加工

深度学习的核心是促进学生对知识的理解。引导学生分组尝试绘制思维导图，外化思维框架，直观呈现知识点之间的逻辑关联，能够很好地训练学生的科学思维。在绘制过程中，学生需要确定各个概念之间的关系。教师还可以根据思维导图了解学生的知识掌握情况。

四、教学反思

本案例是以培养学生的生物学核心素养为出发点，以实现深度学习为目标的教学设计。全程将生活故事与问题情境相融合，既有情境任务，也有活动任务，让学生充分参与合作探究式的教学环节。课堂中，教师不是将知识概念直接灌输给学生，而是让学生自主思考、主动建构，从而收获升华。在此过程中，不仅发展了学生的科学思维，更是渗透了立德树人的根本任务。

参考文献：

[1]王玺，张健.蛋白质相关知识点的深入思考[J].中学课程辅导（教学研究），2021（35）：105.

[2]于善谦.免疫学导论（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

责任编辑：唐丹丹