基于教材又创生教材的尝试

——以胶原蛋白为情境贯穿整节进行 蛋白质教学的设计与实施

陕师大中学生物教学

清华大学附属中学  北京(100084)  李琳

摘要

以新教材中胶原蛋白的应用、功能和结构创设大情境，贯穿整节课的教学，使学生形成结构与功能相适应的观点。教学过程的实施借助教具，通过学生活动将抽象的化学反应直观呈现，借助物理模型和数学模型帮助学生理解蛋白质结构的多样性，发展学生的科学思维。

关键词

胶原蛋白；情境创设；模型构建；科学思维

1、教学内容及学情分析

“蛋白质是生命活动的主要承担者”一节位于2019年版人教版高中生物学必修1第2章第4节。本章内容介绍组成细胞的物质基础，为细胞结构和细胞代谢的学习打下基础，也是学生形成生命的物质观的重要基础。蛋白质的功能丰富、结构复杂，本节教学需带领学生从认识氨基酸入手，依次构建蛋白质的一级结构和空间结构，并建立起结构与功能间的关系，发展结构与功能观。学生在本节学到生物大分子的组成方式、结构与功能相适应的观念，均为本章其他内容的学习打下基础。因此本节内容是本章教学的重点和难点。

新教材在“问题探讨”中引入的胶原蛋白手术缝合线是很好的素材。经文献学习，笔者发现胶原蛋白的结构可以很好地承载蛋白质结构的教学，也可以很好地体现结构与功能的关系，这种将蛋白质产品应用于社会生活实践的案例可以体现生物学知识在社会发展中担负的责任，因此笔者在设计时创设了讨论胶原蛋白线结构和功能的大情境。

本节的教学在高一新生入学的第一个月开展，学生处在高中生物学学习方法的摸索阶段，教学过程不仅要关注知识的落实还需注重培养学生的科学思维能力，同时要给学生足够的关注和鼓励。由于学生的有机化学基础薄弱，需要适当补充化学知识，利用较直观的方法呈现脱水缩合、空间结构构建等过程。对于蛋白质的结构和结构多样性的难点，需要借助直观的物理模型，逐渐发展抽象思维，尝试构建数学模型，发展学生的科学思维。

2、教学目标

(1)通过探讨胶原蛋白手术缝合线特性及化学本质，引导学生认识蛋白质的功能及应用，感悟生物学学习的社会价值。

(2)通过列举并归纳蛋白质的功能，认同蛋白质在细胞生命活动中承担重要作用。

(3)通过分析并归纳氨基酸分子的结构通式以及“组装胶原蛋白”的活动，能概述蛋白质由一级结构到空间结构的组成，阐明蛋白质多样性的原因。

(4)通过胶原蛋白结构和功能分析，阐明蛋白质的功能以其完整空间结构为基础，而空间结构又与组成它的氨基酸序列密切相关，从分子水平感悟结构与功能的关系。

3、教学环节(图1)

图1

4、课堂实录及点评

4.1

片段1：认识胶原蛋白线，创设教学情境

教师陈述：有过外科手术经历的人往往看到疤痕就会想起当时的痛，而我们日益增长的美好生活需要正是希望医疗技术不仅能够治愈伤口，还要能够抚平伤痕。这就需要一条优秀的手术缝合线。

设问1  一根优秀的手术缝合线应该具有哪些优良特性？(预期：细、可吸收。设计意图：从实际生活和医疗技术发展引入话题，体现生物学知识在改变人类生活中担负的责任。)

学生回答：需要用一种可以被生物体吸收的材料。要细，又细又强韧。

教师点评：很好，我们需要线足够细，使缝线痕迹尽量小，但又要足够强韧。如果可吸收就可以免去拆线的痛苦，还能够不留痕迹。(由于学生的回答比预期更全面，给学生充分的肯定，并进行适度的解读，保证每个学生都能理解。)

设问2  借助你的生物学知识猜测，这样的手术缝合线可能是什么材质？(预期：蛋白质或其他成分。设计意图：看似开放的问题可以将学生引向“物质”这一话题，学生结合初中知识和本章首节内容展开思考，比较多种化合物的结构和功能，借助生活中接触到的细长坚韧的蚕丝或蛛丝想到蛋白质这一成分。)

学生：纤维素或者蛋白质。

补充提问：可以帮他作出明确的选择吗？

学生：蛋白质，纤维素不能被生物体吸收。

教师点评：依据初中的知识，纤维素不能被人体吸收。

设问3  人体可以消化吸收的物质有很多，为何首先想到蛋白质？(预期：蛋白质在体内含量高，功能多样。设计意图：引导学生思考蛋白质与其他物质的差异；从物质含量、可吸收性的角度解释即可。)

学生回答：蛋白质可以吸收，而且含量很高。

教师点评：除此以外，它的功能也是非常多样的。(后列举并概括蛋白质的功能。)

设问4  经验证，这种手术线的化学本质是胶原蛋白。为什么科学家会想到利用胶原蛋白生产手术缝合线？胶原蛋白为何能满足又细又强韧的特性呢？我们要分析它结构上的特性。(设计意图：不需要学生给出答案，希望引导学生在解释物质功能时能够从物质结构入手，帮助建立在化合物水平上的结构与功能观。)

4.2

片段2：构建蛋白质结构模型，落实概念

教师陈述：根据初中的知识可以知道，蛋白质由氨基酸组成。

设问1  什么是氨基酸呢？请大家看教材上给出的4个氨基酸的例子，请找出结构上的共同点，尝试归纳氨基酸结构通式。(预期：有氨基、羧基、H和另外一个部分，较难关注到它们共同连接在一个中心C原子上。由于学生不具备有机化学知识，因此很难准确说出结构名称，只要能够描述出来即可。设计意图：引导学生对氨基酸的结构进行仔细点观察、比较，并通过不完全归纳法得到结构通式。)

学生回答：每个分子的上半部分是相同的。

教师追问：能不能说得具体点？

学生回答：从左往右数的第一个C原子，这个C原子底下不同，其他都相同。(由此可知，学生的化学基础薄弱，所以没有“基团”的概念，对结构的描述存在难度，在结构划分和结构名称部分需要教师帮助。)

教师追问：你和我们说说相同的都有哪些部分吧？

学生回答：左边的C的左边有一个氨基，这个C上面一个H原子，右边有一个羧基，而且这个C的下面还有一个不同的地方。

教师点评：氨基酸至少都有两个C原子，左边一个C上都含有一个氨基和一个H。他已经预习了一些化学有机物的知识，他认识左边的结构是氨基，是一个N原子连有两个H，可以拆开写也可以写在一起，我们会遇到不同的表述形式。他有一个表述非常好，始终围绕着同一个C原子在描述，他找到了结构通式中最核心的C原子作为骨架。他还找到了氨基酸间的差异部分，我们把它记作R基，也就是氨基酸的可变基团。(学生的答案有两点出乎意料：①已经预习了化学知识，认识氨基和羧基，既要鼓励该生，也要补充相关知识的讲解，保证每个学生都能跟上；②该生关注到4个基团均连接在中心C原子上，教师可以借助表扬他的严谨描述来强调这一重点。)

(省略部分教学环节)

任务1  现在请根据氨基酸结构通式，在每组的4个卡片中挑出“假氨基酸”。(设计意图：通过甄别“真假氨基酸”可以强化学生对氨基酸结构通式的理解，教师可以通过设置不同的“假氨基酸卡片”如缺少必须基团、未连接在同一C原子上等错误选项强化细节。)

设问2  氨基酸怎样才能形成蛋白质？蛋白质是生物大分子，需要将氨基酸结合在一起。若要将氨基酸连成长链，需要借助氨基酸的共有部分，还是它的个性部分？(预期：共有部分。设计意图：氨基酸脱水缩合过程是全新的知识，为学生搭建思维台阶，通过讲“理”使学生更容易理解脱水缩合的过程，增强其记忆效果。)

学生回答：通过其共有部分。

任务2  请将你手中的三四个氨基酸脱水缩合，形成三肽或四肽，并关注在这个过程中脱去了几分子水？形成了几个肽键？请一组同学上黑板操作。(预期：学生能够完成此操作，但脱下来的H和—OH呈“游离”状态，未形成水分子。设计意图：通过动手操作教具，能够更直观地学习脱水缩合过程，并从具体的数字入手学习脱水数和肽键数计算，再由此慢慢抽象形成数学模型。)

学生回答：(操作)将氨基和羧基上的尼龙搭扣撕掉，在2个氨基酸的氨基和羧基间贴上“肽键”搭扣，将其连接在一起，重复3次。解读：羟基和氨基脱去一分子水，将2个氨基酸连接起来形成肽键。我们组有4个氨基酸，形成3个肽键，脱去3分子水。

教师追问：你们脱下来的水是如何表示的？

学生回答：我们把H和—OH贴在一起，表示水。

教师点评：这样的方式非常巧妙。

教师追问：脱水形成三肽的小组形成几个肽链？几分子水？

学生回答：2个肽键，2分子水。

设问3  我们来抽象一下，如果我有m个氨基酸，形成1条肽链，会形成几个肽键几分子水？(设计意图：抽象的计算对学生来说是难点，希望借助问题的梯度设置，帮学生化难为简，在理解的基础上构建模型，而非背诵公式。)

学生回答：m-1。

点评：真快！

追问：如果我有7个氨基酸形成2条肽链，是什么结果？

学生回答：(稍作思考)脱去5分子水，形成5个肽键。

追问：继续抽象，m个氨基酸形成n条肽链，形成多少个肽键，脱去多少水？

学生回答：m-n个。

(由此顺利生成数学模型)

任务3  我给大家的氨基酸都在R基上标注了符号，请同学们给我汇报下你手中的三肽序列，有哪些排列组合形式？比如我刚才拿到的是○△□。

学生回答：△□○，□△○……

设问4  依据数学知识，3个氨基酸的排列组合应该是6种，我现在把这6种都列出来了，请帮我看看有问题吗？(预期：很快可以说出有6种组合方式，但是马上会产生质疑，顺序完全相反的2个三肽是否本质相同？设计意图：希望通过具体、数量较少的氨基酸排列组合过渡到抽象的数学模型，为学生搭设台阶。)

学生回答：有相同的，第一个和最后一个(△○□和□○△)。这两个不一样。

教师补充：可以参考黑板上或者大家手上的模型，这2个三肽到底一样不一样？

学生回答：第一个和最后一个的区别在于，第一种△没有脱去H，□的羟基没有脱去，如果是最后一种情况，□是没有脱去氨基，△没有脱去羧基。

教师点评：由此我们发现肽链是具有方向的，氨基写在左边是肽链的N端，羧基写在右边是肽链的C端，所以这两种肽链是不同的。

设问5  我们的模型升级，如果我们体内常见的20种氨基酸算随机组合，并且人体内的氨基酸是充足的，那么人体内能够形成多少种三肽？(预期：可能出现的错误答案有20×19×18，没有体会充足氨基酸的含义；3的20次方，数学模型错误等。设计意图：将简单的模型逐渐复杂化，突出3个氨基酸的排列和20种含量充足的氨基酸的排列在算法上的差异。)

学生回答：20×20×20。

教师点评：第一个氨基酸的位置有20种可能性，第二位20种，第三位20种，所以应该是20的3次方。

设问6  我们以胶原蛋白为例，胶原蛋白的一条肽链有1000个左右的氨基酸，这条肽链的种类可以达到什么数量级？(设计意图：本问题难度不大，意在加深学生对模型的理解，并通过数量级扩大的直观感受体会蛋白质一级结构的多样性。)

学生回答：20的1000次方。

设问7  这个数字呼应了蛋白质功能上的多样性，总结：在氨基酸形成肽链的过程中哪些因素为蛋白质种类的多样性提供了可能？(设计意图：基于以上问答，概括提炼，落实蛋白质一级结构多样性的原因。)

学生回答：氨基酸R基有不同种类，氨基酸的数目不同，排列顺序不同，这些都会导致蛋白质的种类不同。

4.3

片段3：设计冲突，提升思维严谨性，

借助所学，生成新知

设问1  40 min过去了，我们的胶原蛋白线消化得怎么样了？你预期会有什么现象？(预期：学生如果没有理性分析手术缝合线在体内需要保留一段时间以辅助组织愈合，就容易想当然地认为线已被消化。设计意图：回应导入中的设问，关注胶原蛋白线是否可以被人体消化吸收，也可借此话题学习蛋白质的水解过程。创设冲突，加强对严谨思维的训练。)

学生回答：没了或一半没了。

教师点评：请离得近的同学看一看，它还在吗？不仅在，而且还和40 min前没什么差别。

设问2  这是为什么呢？(预期：结合缝合线的使用需求，理解其消化是缓慢的。设计意图：看到与预期矛盾的实验现象，激发学生的好奇心，并引发理性思考。)

学生回答：温度不够。

点评和追问：(这个回答出乎笔者意料，但正是一个很值得讨论的话题，同时需要将此问题的答案引出。)很好，这是个很关键的因素，因为酶的催化需要特定的温度。那我们想象，如果这根线被缝在我的体内，经历了40min，它消失了？

学生回答：哦！(恍然大悟)

教师讲解：胶原蛋白线的特性是它既要能被消化又不能被太快消化，为了让大家能够直观地看到变化，我上周将一根缝合线放在蛋白酶液中，至今已经在37℃保温4d，我们传一下可以看到线的两端开始水解，而并没有彻底消失。我查阅了资料，这个线确实可被消化吸收，但需要1~2周的时间。

设问3  什么叫蛋白质的水解？我们并没有讲过水解过程，大家就已经用上这个概念了，因为我们学习了脱水缩合过程，自行生成了其逆过程——水解的概念。

任务4  请帮我把你手中的“蛋白质”“水解”为“氨基酸”，归还卡片。(学生能够很好地完成“水解”过程。)

5、教学策略总结

5.1创设大情境承载完整的教学内容

教材中本节内容是先介绍蛋白质的功能，再寻找能够支撑蛋白质复杂多样功能的多样的结构。这样的编写更注重学生“从直观的功能入手，再寻求分子结构的微观解释”这样完整的逻辑，尊重科学思维的一般规律。为落实教材的知识目标和核心素养的培养，笔者在教学设计时着力寻找既能体现蛋白质功能和结构间的关系，又能体现蛋白质不同层次结构的素材。通过对胶原蛋白线的文献学习，发现胶原蛋白一级结构中氨基酸的特殊性质和规律排列，对其形成二级结构的特殊螺旋以及多条肽链间的空间结构的影响可以很好地体现蛋白质一级结构影响空间结构的知识，由此形成的胶原蛋白纤长、强韧的特性又为其作为手术缝合线提供了可能性[1]。胶原蛋白中氨基酸的替换导致蛋白质结构改变，引发蛋白质功能丧失进而引起相应病症，也是结构功能观的重要体现。胶原蛋白线的可吸收性体现了蛋白质在机体内水解为氨基酸的过程，可以作为氨基酸脱水缩合形成蛋白质的佐证。由此，笔者选择胶原蛋白线作为本节课的主线，在探索手术缝合线的化学本质的大情境下开展讨论，一以贯之地保障课堂思维的严谨性和内容的完整性[2]。

5.2借助教具和充实的学生活动突破重难点

分子结构微观、抽象，学生学习时具有较大挑战，笔者希望通过教具的使用帮助学生直观地理解氨基酸结构、脱水缩合，以及蛋白质空间结构。笔者设计了氨基酸卡片(打印特定氨基酸结构式并塑封)，在氨基酸的氨基和羧基上添加可拆卸的尼龙搭扣，并配有尼龙搭扣的肽键结构，体现脱水缩合形成肽链过程。除此之外，在氨基酸的R基部分设置了吸铁石体现氢键的作用，半胱氨酸的巯基部分也有尼龙搭扣体现二硫键的形成。因此，本教具可以用于氨基酸结构的辨析、脱水缩合方式的解读、空间结构的构建，最后还可以辅助蛋白质水解为氨基酸的知识生成。形象生动的学生活动不仅利于概念的学习，还可以在直观的物理模型基础上帮助学生抽象形成肽链相关计算和蛋白质多样性数学模型。

5.3通过问题串的设计和对学生的评价提升

科学思维破重难点

本节课通过蛋白质功能和结构的深入学习，建立通过分析物质的结构推理其性质和功能的思维方式，引导学生提升抽象思维能力。为达成以上目标，笔者设置了相关的问题串，引导学生由功能的特点关注到结构的特性。例如，在讲解蛋白质结构时，设置了如下问题：(1)氨基酸具有怎样的结构？(2)氨基酸之间相连应通过其共有结构还是个性部分？(3)肽链盘曲折叠形成空间结构的过程受到氨基酸上什么结构的影响？由此引导学生在理解的基础上记忆，不仅学知识还要学方法。再如，在分析蛋白质一级结构的多样性时，先通过学生手中的模型提出具体问题：(1)由3个不同氨基酸构成的三肽有几种？(2)这6种多肽中是否具有相同的？在此基础上慢慢抽提数学模型：(3)如果是体内常见且足量的20种氨基酸可以构成多少种三肽？(4)体内足量的20种氨基酸可以构成多少种1 000肽？由此学生在逐渐生成数学模型的同时也将深刻感受氨基酸种类、数目、排列顺序不同带来的多样性。

重难点的突破不一定由教师完成，如果可以抓住学生思维的闪光点就可以更好地落实课堂教学。例如，学生在梳理氨基酸结构通式时说：“第一个C原子上有一个氨基，第一个C原子上有一个羧基。”笔者在梳理学生答案时点评道：“他的描述一直围绕着第一个C原子，这也是生物体内氨基酸结构通式的一个重要特点，氨基、羧基、H和R基均连接在一个中心C原子上。”在后续的学生活动中，学生能够迅速挑出不符合氨基酸结构通式的卡片，体现了对氨基酸结构的认知水平。

6、板书设计(略)