模型建構(gòu)在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
——以“細(xì)胞的分子組成”為例

李娟娟 張金鑫 馮陽春 韋玉紅

(上海市嘉定二中 上海 201802)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》在編寫理念中強(qiáng)調(diào),中學(xué)生物學(xué)課程應(yīng)高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實(shí)踐經(jīng)歷并通過引導(dǎo)讓學(xué)生積極參與動(dòng)手和動(dòng)腦的活動(dòng)。模型建構(gòu)是學(xué)生根據(jù)知識(shí)內(nèi)容,在大腦中將理想的模型構(gòu)建出來,再動(dòng)手實(shí)踐,并根據(jù)實(shí)際情況加以修改完善的過程,是落實(shí)新課標(biāo)“教學(xué)過程重實(shí)踐”理念的重要抓手。教學(xué)中,教師有意識(shí)地引入模型建構(gòu)活動(dòng),可以豐富教學(xué)的內(nèi)容和形式,使學(xué)生在多樣化的活動(dòng)中構(gòu)建新知、發(fā)展能力。

以滬科版《必修1·分子與細(xì)胞》第二章“細(xì)胞的分子組成”為例,該單元內(nèi)容涉及水、無機(jī)鹽、糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì),與日常生活密切相關(guān),是學(xué)生學(xué)習(xí)和理解大概念“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”的重要基礎(chǔ)。然而,由于該單元概念較多、理論性較強(qiáng),教材設(shè)置的學(xué)生活動(dòng)也只有“檢測(cè)生物組織中的還原糖、脂肪和蛋白質(zhì)”這一個(gè)探究實(shí)驗(yàn),常規(guī)的講授式教學(xué)難以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為增強(qiáng)學(xué)習(xí)內(nèi)容的趣味性,滿足學(xué)生多樣化的活動(dòng)需求,教師可從以下幾個(gè)維度引入模型建構(gòu)。

1 通過建構(gòu)物理模型提升學(xué)生的空間認(rèn)知能力

物理模型以實(shí)物或圖畫形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的形態(tài)結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)?！凹?xì)胞的分子組成”單元包含碳鏈、氨基酸、糖類、脂肪的分子結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)及水分子極性等相關(guān)概念。由于文字以及圖片的抽象性,學(xué)生難以在腦海中建立上述分子的空間結(jié)構(gòu)。鑒于這一情況,教師可在每節(jié)設(shè)置相應(yīng)的模型搭建活動(dòng),增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及相關(guān)理化過程的認(rèn)識(shí)。

1.1 以球棍模型展示生物分子的空間結(jié)構(gòu)

完成第一節(jié)相關(guān)理論的學(xué)習(xí)后,學(xué)生可以利用教師提供的材料,根據(jù)要求完成實(shí)踐類作業(yè),即利用球棍模型組件搭建葡萄糖和半胱氨酸的分子結(jié)構(gòu)模型(圖1),并找出兩種分子碳骨架的特征。學(xué)生通過模型搭建了解并熟悉葡萄糖以及半胱氨酸的分子結(jié)構(gòu),深化對(duì)“元素以碳鏈為骨架形成復(fù)雜的生物分子”概念的理解,為后續(xù)多糖及蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 葡萄糖(左)及半胱氨酸(右)分子結(jié)構(gòu)模型

學(xué)習(xí)了第三節(jié)“糖類和脂質(zhì)是細(xì)胞的結(jié)構(gòu)成分和能源物質(zhì)”后,學(xué)生可以參照教材圖片搭建脂肪分子結(jié)構(gòu)模型(圖2)。教師通過組織學(xué)生先搭建甘油、脂肪酸分子的球棍模型,再進(jìn)一步組裝脂肪分子模型,促進(jìn)學(xué)生對(duì)脂肪等有機(jī)物空間結(jié)構(gòu)的理解和掌握,有助于學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能觀。

圖2 脂肪分子結(jié)構(gòu)模型

1.2 以球棍模型演示理化變化過程

完成第二節(jié)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)后,學(xué)生可以參照教師提供的20 種常見氨基酸的結(jié)構(gòu)式搭建任意一種三肽(圖3),并統(tǒng)計(jì)全班同學(xué)所搭三肽的種類。本活動(dòng)有助于學(xué)生體會(huì)氨基酸脫水縮合的過程,了解脫水縮合與肽鍵形成之間的關(guān)系。同時(shí),學(xué)生觀察、比較班級(jí)其他學(xué)生搭建的不同三肽的空間結(jié)構(gòu),對(duì)于其下一步學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性以及“蛋白質(zhì)的功能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)”這一概念具有重要的鋪墊作用。

圖3 三肽(甘氨酸-半胱氨酸-丙氨酸)結(jié)構(gòu)模型

與2007年版教材相比,新教材增加了“水分子的極性”相關(guān)內(nèi)容。為突破難點(diǎn),學(xué)生可在教師的指導(dǎo)下先搭建水分子結(jié)構(gòu)模型及氯化鈉晶體模型,然后模擬氯化鈉溶解在水中后呈現(xiàn)的狀態(tài)(圖4)。此活動(dòng)旨在通過動(dòng)手實(shí)踐幫助學(xué)生理解Na+、Cl-與水分子的O、H 端結(jié)合導(dǎo)致快速溶解的現(xiàn)象,便于學(xué)生后續(xù)對(duì)“水分子具有極性”“水賦予細(xì)胞生命特性”“細(xì)胞中的大部分化學(xué)反應(yīng)在水環(huán)境中進(jìn)行”等概念的理解性學(xué)習(xí)。

圖4 T4 溶菌酶三維結(jié)構(gòu)(左),后5 個(gè)氨基酸改為天冬氨酸后的三維結(jié)構(gòu)(右)

圖4 水分子結(jié)構(gòu)模型(左)及NaCl 在水中溶解過程模型(右)

1.3 以三維結(jié)構(gòu)模型模擬目標(biāo)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是理解其生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)了教材第31 頁正文及“廣角鏡”欄目后,對(duì)T4 溶菌酶的氨基酸序列、空間結(jié)構(gòu)及蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)具有一定程度的了解,但認(rèn)識(shí)并不深刻。鑒于此,教師可以安排學(xué)生在課后以T4 溶菌酶為例,登陸專業(yè)建模網(wǎng)站(如https:/ /swissmodel.expasy.org/等),輸入氨基酸序列,通過計(jì)算機(jī)模擬獲取該蛋白的3D 結(jié)構(gòu),并通過滑動(dòng)鼠標(biāo)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)360 度的全方位觀察;學(xué)生還可以在T4 溶菌酶氨基酸序列的基礎(chǔ)上,任意刪減、增加或替換幾個(gè)氨基酸,建構(gòu)“改造”后的蛋白質(zhì)并觀察、比較其與天然T4 溶菌酶在空間結(jié)構(gòu)方面的差異(圖4)。教師借助信息技術(shù)手段建構(gòu)三維模型增強(qiáng)了學(xué)習(xí)內(nèi)容的生動(dòng)性和直觀性,以“鮮活”的方式將抽象的理論轉(zhuǎn)化為宏觀的動(dòng)態(tài)模型,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2 通過建構(gòu)概念模型培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力

概念模型以圖示、文字、符號(hào)等組成的流程圖形式對(duì)事物的生命活動(dòng)規(guī)律、機(jī)理進(jìn)行描述、闡明。單元學(xué)習(xí)結(jié)束后,教師可以圍繞核心概念讓學(xué)生嘗試發(fā)散思維建構(gòu)概念模型。學(xué)生可以從核心概念出發(fā),將各節(jié)涉及的重要概念、次位概念按概念層級(jí)輻射開來梳理知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系,從而使模糊的概念清晰化,孤立零散的知識(shí)系統(tǒng)化,進(jìn)而多層次、多角度地認(rèn)識(shí)概念的實(shí)質(zhì)。

本單元的教學(xué)中可圍繞“細(xì)胞的分子組成”構(gòu)建并完善概念模型(圖5),建立知識(shí)體系。

圖5 本章各節(jié)概念關(guān)系圖

3 通過建構(gòu)數(shù)學(xué)模型強(qiáng)化學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S品質(zhì)

數(shù)學(xué)模型是指用來描述一個(gè)系統(tǒng)或其性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式,是利用符號(hào)、公式等數(shù)學(xué)語言表征生物學(xué)事實(shí)、現(xiàn)象及其變化規(guī)律的有效學(xué)習(xí)工具。在生物學(xué)教學(xué)過程中,教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試建立數(shù)學(xué)模型來解釋生物學(xué)研究對(duì)象的數(shù)量變化,有利于培養(yǎng)學(xué)生由現(xiàn)象到本質(zhì)的思維遷移能力及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S品質(zhì)。

本單元的第二節(jié)有“脫氧核苷酸的排列順序及DNA 儲(chǔ)存大量遺傳信息”的描述,很多學(xué)生不理解四種脫氧核苷酸能夠構(gòu)成大量遺傳信息的原因。因此,在教學(xué)過程中教師可以通過循序漸進(jìn)的設(shè)問,幫助學(xué)生在準(zhǔn)確解讀文字信息的基礎(chǔ)上提煉數(shù)學(xué)模型。

首先,結(jié)合教師展示的DNA 平面結(jié)構(gòu)圖,學(xué)生能夠看出在DNA 雙鏈中A-T(或G-C)堿基對(duì)與T-A(或C-G)堿基對(duì)不同,進(jìn)而總結(jié)發(fā)現(xiàn)DNA 分子中1個(gè)堿基對(duì)有A-T、T-A、G-C、C-G 四種可能。在此基礎(chǔ)上教師提出問題:若某DNA 片段含2 個(gè)堿基對(duì),其排列順序有多少種可能?3 個(gè)堿基對(duì)呢?若某DNA由2n個(gè)脫氧核苷酸構(gòu)成,該DNA 分子含多少個(gè)堿基對(duì)?這些堿基對(duì)的排列順序有多少種可能?然后,結(jié)合學(xué)生的答案,師生一同抽象、概括出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型(表1)。通過將文字描述轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表征形式,教師以簡(jiǎn)單、高效的方式呈現(xiàn)生物學(xué)理論知識(shí)中蘊(yùn)含的客觀規(guī)律,有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

表1 DNA 分子中堿基對(duì)數(shù)目及其排列順序數(shù)量關(guān)系

4 教學(xué)啟示

模型建構(gòu)作為一種有趣、有效的教學(xué)手段,能夠?qū)⒔處煹慕碳皩W(xué)生的學(xué)從紛繁復(fù)雜的生物學(xué)概念及結(jié)構(gòu)中解放出來,使學(xué)生通過主觀能動(dòng)地思考、合作、探究,化繁為簡(jiǎn)地掌握其科學(xué)本質(zhì)。在教學(xué)中引入模型建構(gòu)需關(guān)注以下要點(diǎn):

4.1 強(qiáng)化建模意識(shí),注重頂層設(shè)計(jì)

教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和促進(jìn)者,因而要開展模型教學(xué)首先需要教師在思想上重視。一線教師應(yīng)主動(dòng)擺脫傳統(tǒng)教學(xué)模式的束縛,通過自主鉆研、積極學(xué)習(xí)借鑒等方式加強(qiáng)建模知識(shí)儲(chǔ)備,并自覺把模型及模型方法運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐中,以發(fā)揮模型教學(xué)在發(fā)展學(xué)生能力方面的優(yōu)勢(shì)。再者,模型建構(gòu)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的,需要教師統(tǒng)籌課內(nèi)、課外進(jìn)行整體設(shè)計(jì),并通過分解任務(wù)、示范引導(dǎo)使學(xué)生逐步熟悉并掌握模型建構(gòu)的思維方法,最終實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)用。

4.2 堅(jiān)持學(xué)生主體,助力素養(yǎng)培育

一切教學(xué)活動(dòng)都是為學(xué)生的發(fā)展服務(wù)的,因而開展模型建構(gòu)還應(yīng)關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位的落實(shí),既不能流于形式,也不能以教師講解和演示代替學(xué)生的親身實(shí)踐。教師應(yīng)充分挖掘和利用教材中蘊(yùn)含的豐富的模型資源,通過精心設(shè)計(jì)、正確引導(dǎo)組織學(xué)生將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐活動(dòng)有效整合,以多樣化的模型建構(gòu)及展示交流活動(dòng)助力學(xué)生核心素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。