模型建构在生物学教学中的应用——以“细胞的分子组成”为例

李娟娟 张金鑫 冯阳春 韦玉红

(上海市嘉定二中 上海 201802)

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》在编写理念中强调,中学生物学课程应高度关注学生学习过程中的实践经历并通过引导让学生积极参与动手和动脑的活动。模型建构是学生根据知识内容,在大脑中将理想的模型构建出来,再动手实践,并根据实际情况加以修改完善的过程,是落实新课标“教学过程重实践”理念的重要抓手。教学中,教师有意识地引入模型建构活动,可以丰富教学的内容和形式,使学生在多样化的活动中构建新知、发展能力。

以沪科版《必修1·分子与细胞》第二章“细胞的分子组成”为例,该单元内容涉及水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质、核酸等物质,与日常生活密切相关,是学生学习和理解大概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”的重要基础。然而,由于该单元概念较多、理论性较强,教材设置的学生活动也只有“检测生物组织中的还原糖、脂肪和蛋白质”这一个探究实验,常规的讲授式教学难以有效激发学生的学习兴趣。为增强学习内容的趣味性,满足学生多样化的活动需求,教师可从以下几个维度引入模型建构。

1 通过建构物理模型提升学生的空间认知能力

物理模型以实物或图画形式直观地表达认识对象的形态结构或三维结构。“细胞的分子组成”单元包含碳链、氨基酸、糖类、脂肪的分子结构,蛋白质的空间结构及水分子极性等相关概念。由于文字以及图片的抽象性,学生难以在脑海中建立上述分子的空间结构。鉴于这一情况,教师可在每节设置相应的模型搭建活动,增强学生对物质结构及相关理化过程的认识。

1.1 以球棍模型展示生物分子的空间结构

完成第一节相关理论的学习后,学生可以利用教师提供的材料,根据要求完成实践类作业,即利用球棍模型组件搭建葡萄糖和半胱氨酸的分子结构模型(图1),并找出两种分子碳骨架的特征。学生通过模型搭建了解并熟悉葡萄糖以及半胱氨酸的分子结构,深化对“元素以碳链为骨架形成复杂的生物分子”概念的理解,为后续多糖及蛋白质空间结构的学习奠定坚实的基础。

图1 葡萄糖(左)及半胱氨酸(右)分子结构模型

学习了第三节“糖类和脂质是细胞的结构成分和能源物质”后,学生可以参照教材图片搭建脂肪分子结构模型(图2)。教师通过组织学生先搭建甘油、脂肪酸分子的球棍模型,再进一步组装脂肪分子模型,促进学生对脂肪等有机物空间结构的理解和掌握,有助于学生形成结构与功能观。

图2 脂肪分子结构模型

1.2 以球棍模型演示理化变化过程

完成第二节理论知识的学习后,学生可以参照教师提供的20 种常见氨基酸的结构式搭建任意一种三肽(图3),并统计全班同学所搭三肽的种类。本活动有助于学生体会氨基酸脱水缩合的过程,了解脱水缩合与肽键形成之间的关系。同时,学生观察、比较班级其他学生搭建的不同三肽的空间结构,对于其下一步学习蛋白质结构的多样性以及“蛋白质的功能与其结构密切相关”这一概念具有重要的铺垫作用。

图3 三肽(甘氨酸-半胱氨酸-丙氨酸)结构模型

与2007年版教材相比,新教材增加了“水分子的极性”相关内容。为突破难点,学生可在教师的指导下先搭建水分子结构模型及氯化钠晶体模型,然后模拟氯化钠溶解在水中后呈现的状态(图4)。此活动旨在通过动手实践帮助学生理解Na+、Cl-与水分子的O、H 端结合导致快速溶解的现象,便于学生后续对“水分子具有极性”“水赋予细胞生命特性”“细胞中的大部分化学反应在水环境中进行”等概念的理解性学习。

图4 T4 溶菌酶三维结构(左),后5 个氨基酸改为天冬氨酸后的三维结构(右)

图4 水分子结构模型(左)及NaCl 在水中溶解过程模型(右)

1.3 以三维结构模型模拟目标蛋白质的结构性质

蛋白质的三维结构是理解其生物学功能的基础。学生在学习了教材第31 页正文及“广角镜”栏目后,对T4 溶菌酶的氨基酸序列、空间结构及蛋白质数据库具有一定程度的了解,但认识并不深刻。鉴于此,教师可以安排学生在课后以T4 溶菌酶为例,登陆专业建模网站(如https:/ /swissmodel.expasy.org/等),输入氨基酸序列,通过计算机模拟获取该蛋白的3D 结构,并通过滑动鼠标按键实现对该结构360 度的全方位观察;学生还可以在T4 溶菌酶氨基酸序列的基础上,任意删减、增加或替换几个氨基酸,建构“改造”后的蛋白质并观察、比较其与天然T4 溶菌酶在空间结构方面的差异(图4)。教师借助信息技术手段建构三维模型增强了学习内容的生动性和直观性,以“鲜活”的方式将抽象的理论转化为宏观的动态模型,提高了学生的学习效率。

2 通过建构概念模型培养学生的系统思维能力

概念模型以图示、文字、符号等组成的流程图形式对事物的生命活动规律、机理进行描述、阐明。单元学习结束后,教师可以围绕核心概念让学生尝试发散思维建构概念模型。学生可以从核心概念出发,将各节涉及的重要概念、次位概念按概念层级辐射开来梳理知识点之间的联系,从而使模糊的概念清晰化,孤立零散的知识系统化,进而多层次、多角度地认识概念的实质。

本单元的教学中可围绕“细胞的分子组成”构建并完善概念模型(图5),建立知识体系。

图5 本章各节概念关系图

3 通过建构数学模型强化学生严谨的思维品质

数学模型是指用来描述一个系统或其性质的数学形式,是利用符号、公式等数学语言表征生物学事实、现象及其变化规律的有效学习工具。在生物学教学过程中,教师引导学生尝试建立数学模型来解释生物学研究对象的数量变化,有利于培养学生由现象到本质的思维迁移能力及严谨的思维品质。

本单元的第二节有“脱氧核苷酸的排列顺序及DNA 储存大量遗传信息”的描述,很多学生不理解四种脱氧核苷酸能够构成大量遗传信息的原因。因此,在教学过程中教师可以通过循序渐进的设问,帮助学生在准确解读文字信息的基础上提炼数学模型。

首先,结合教师展示的DNA 平面结构图,学生能够看出在DNA 双链中A-T(或G-C)碱基对与T-A(或C-G)碱基对不同,进而总结发现DNA 分子中1个碱基对有A-T、T-A、G-C、C-G 四种可能。在此基础上教师提出问题:若某DNA 片段含2 个碱基对,其排列顺序有多少种可能?3 个碱基对呢?若某DNA由2n个脱氧核苷酸构成,该DNA 分子含多少个碱基对?这些碱基对的排列顺序有多少种可能?然后,结合学生的答案,师生一同抽象、概括出相应的数学模型(表1)。通过将文字描述转换为数学表征形式,教师以简单、高效的方式呈现生物学理论知识中蕴含的客观规律,有益于培养学生的创造性思维。

表1 DNA 分子中碱基对数目及其排列顺序数量关系

4 教学启示

模型建构作为一种有趣、有效的教学手段,能够将教师的教及学生的学从纷繁复杂的生物学概念及结构中解放出来,使学生通过主观能动地思考、合作、探究,化繁为简地掌握其科学本质。在教学中引入模型建构需关注以下要点:

4.1 强化建模意识,注重顶层设计

教师是学生学习的引导者和促进者,因而要开展模型教学首先需要教师在思想上重视。一线教师应主动摆脱传统教学模式的束缚,通过自主钻研、积极学习借鉴等方式加强建模知识储备,并自觉把模型及模型方法运用到教学实践中,以发挥模型教学在发展学生能力方面的优势。再者,模型建构对学生能力的培养不是一蹴而就的,需要教师统筹课内、课外进行整体设计,并通过分解任务、示范引导使学生逐步熟悉并掌握模型建构的思维方法,最终实现灵活运用。

4.2 坚持学生主体,助力素养培育

一切教学活动都是为学生的发展服务的,因而开展模型建构还应关注学生学习主体地位的落实,既不能流于形式,也不能以教师讲解和演示代替学生的亲身实践。教师应充分挖掘和利用教材中蕴含的丰富的模型资源,通过精心设计、正确引导组织学生将理论学习与实践活动有效整合,以多样化的模型建构及展示交流活动助力学生核心素养目标的达成。