基于問題情境的教學設計

摘 要：本文以“蛋白質是生命活動的主要承擔者”一節為例，借助胰島素注射液說明書創設問題情境，通過對胰島素及其功能的介紹、蛋白質基本單位及形成過程、蛋白質結構與功能關系、蛋白質相關科學史的學習四個主要教學環節，強化學生社會責任意識，引導學生自主歸納知識體系，同時促進學生生物學學科核心素養的發展。

關鍵詞：核心素養；科學史；教學設計；高中生物學教學

文章編號：1003-7586（2024）08-0013-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 教材分析及設計思路

“蛋白質是生命活動的承擔者”是人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》第2章第4節的內容。本節內容主要包括“蛋白質的基本單位是氨基酸”“氨基酸的基本結構及其脫水縮合過程”和“蛋白質的功能及其多樣性”三個部分，既是對

所學內容

“組成細胞的分子”的延伸，又為學生接下來學習細胞結構、物質運輸和酶等相關內容打下基礎。

由于高一學生不具備有機化學知識儲備，且抽象思維和空間想象能力不足，因此，氨基酸的結構和蛋白質形成過程是本節教學的重難點?；趯W生現有的認知水平，本節教學首先通過胰島素注射液的說明書創設問題情境，激發學生的學習興趣。接著教師在探究活動中借助構建模型、模擬實驗、思考討論等方式，引導學生在實踐過程中歸納知識體系，深化重要概念理解，提升科學思維能力，初步形成結構和功能相適應的生命觀念。［2］最后，教師引導學生通過生物科學史感悟中國科學家的精神品質，獲得民族自豪感，培育家國情懷和社會責任意識。

2 教學目標

（1）通過“識模—建模—用模”過程，了解氨基酸結構、理解蛋白質形成過程及其結構與功能的多樣性，同時培養自身的歸納、分析能力，發展科學思維。

（2）通過現場實驗和觀察思考，能夠說出蛋白質結構和功能的關系，歸納、總結蛋白質的重要功能，認同蛋白質是生命活動的主要承擔者，初步形成結構與功能相適應的生命觀念。

（3）通過重溫“胰島素的人工合成”科學史，培養自身的民族自豪感和社會責任意識。

3 教學過程

3.1 以“書”激趣，初識胰島素及其功能

教師分發胰島素注射液說明書并播放糖尿病科普視頻，據此提出問題：結合說明書中“成分”“適應癥”“過量使用”三個欄目中的信息，推測島素的化學本質是什么？其生物學功能是什么？經過討論，學生一致認為胰島素是一種蛋白質，具有降低血糖的生物學功能，可以用于治療糖尿病。

教師進一步引導學生閱讀說明書“用法用量”欄目中的信息，并提出問題：結合初中生物學的消化和吸收相關知識，解釋為什么胰島素不能口服？學生經過討論后得出，胰島素的化學本質是蛋白質，在人體消化系統中會被消化分解成氨基酸，從而失去其生物學功能。

教師呈現胰島素的空間結構示意圖（見圖1）并進一步啟發學生思考問題：胰島素的基本單位是什么？其基本單位的數量和種類分別是多少？其基本單位的化學結構有何特點？胰島素的形成過程是怎樣的？經過分析，學生發現胰島素由16種共計51個氨基酸組成，但無法準確回答胰島素基本單位的化學結構，教師順勢引導學生進入活動探究環節。

設計意圖：教師在導入環節，利用說明書和相關視頻創設問題情境，激發學生的學習興趣。教師設置適當的問題串，調動學生科學思維，引導學生推測胰島素的化學本質及其基本單位，再通過較難的問題引發認知沖突，進而展開氨基酸結構特點和蛋白質形成過程的教學。

3.2 以“?！敝鷮W，再探蛋白質基本單位及形成過程

教師從胰島素序列中隨機挑選6種氨基酸并展示其結構式，引導學生完成以下任務：根據氨基酸的元素組成，推測組成胰島素的主要元素；圈出6種氨基酸不同部分并統一用字母R表示，嘗試寫出氨基酸的結構通式；根據氨基酸結構通式，歸納氨基酸的結構特點。由于學生不具備有機化學相關知識，因此在活動結束后，教師再利用立體模型對氨基和羧基的結構式和分子式、中心碳原子、基團的空間位置以及組成人體蛋白質的氨基酸種類等相關問題進行答疑。

教師利用卡片演示兩個氨基酸的連接過程：將兩個氨基酸卡片靠近，把第一個氨基酸羧基中的“—OH”和第二個氨基酸氨基中的“—H”內折，即脫去一個分子水，再把兩張卡片折痕處的化學鍵拼在一起，新形成的化學鍵即肽鍵?；谘菔具^程，教師引導學生完成以下任務：分別拼裝出3～6個氨基酸脫水縮合的產物，并標注肽鍵位置（見圖2）。學生歸納每個模型的名稱、氨基酸數、肽鍵數、脫水數、游離氨基數、游離羧基數并總結其規律，并完成表格填寫（見表1）。

探究活動結束后，教師展示胰島素和四種蛋白質的三維空間結構模型，并提出以下問題：51個氨基酸縮水縮合形成的兩條多肽是否就是胰島素？從結構上判斷，兩者之間最大的區別在哪？組成人體蛋白質的氨基酸只有21種，但形成的蛋白質卻有成千上萬種之多，請闡述具體原因。

學生經過觀察和分析后一致認為：多肽鏈要經過盤曲、折疊形成特定的空間結構才能成為蛋白質；氨基酸的種類、數目、排列順序及肽鏈的空間結構不同是導致蛋白質具有多樣性的直接原因。

設計意圖：教師通過書寫氨基酸結構式，幫助學生認識氨基酸的元素組成、結構通式以及種類，同時培養學生歸納、分析的綜合能力。教師通過構建脫水縮合模型并分析規律，引導學生理解多肽的形成過程，提升學生的科學思維能力。最后，教師引導學生觀察圖片并分析、歸納蛋白質的形成過程及其具有多樣性的原因。

3.3 以“觀”促思，洞察蛋白質結構與功能關系

教師繼續引導學生閱讀說明書“貯藏”欄目中的相關信息，并提出問題：胰島素注射液儲存不當時會發生什么變化？原因是什么？是否還能使用？經過討論，學生一致認為出現微小團塊的注射液應丟棄，但是學生普遍對于注射液中出現微小團塊的原因感到疑惑。教師引導學生完成胰島素的變性實驗，幫助學生解決問題。

教師提供實驗材料并要求學生完成以下任務：給四支試管分別編號ABCD，四支試管都加入10mL胰島素注射液并依次在A試管加入5mL酒精并攪拌，在B試管加入5mL白醋并攪拌，C試管用酒精燈加熱，在D試管加入5mL生理鹽水，觀察試管中的變化。

教師結合實驗結果引導學生思考：注射液的主要成分是什么？三支試管中的白色絮狀物可能是什么物質？導致試管中物質結構變化的原因是什么？

經過討論，學生一致認為實驗中的高溫、酸、酒精等條件使注射液中的蛋白質發生了結構改變。教師進一步作出補充：這種改變其實是蛋白質的空間結構發生了改變，生物學上稱之為變性，變性后的蛋白質失去了原本的生物學功能。

教師繼續提問：變性后的蛋白質是否還能用雙縮脲試劑檢測？學生向三支試管中滴加雙縮脲試劑并觀察結果（見圖3）。教師進一步引導學生結合教材內容自主歸納總結。最后得出結論：蛋白質參與了人體結構、催化、運輸、免疫和調節等多項生命活動，因此蛋白質是生命活動的主要承擔者。

設計意圖：教師基于學生對蛋白質空間結構的理解，通過設計胰島素變性實驗，讓學生能夠直觀地觀察到蛋白質在不同條件下的結構變化，有助于學生理解蛋白質變性的主要因素、蛋白質空間結構及其對應的功能關系，從而培養學生初步形成結構與功能觀。學生通過閱讀教材，歸納概括出蛋白質的主要功能，認同蛋白質是生命活動的主要承擔者。這一過程能夠深化學生對蛋白質功能的理解，從而進一步提升其科學思維品質。

3.4 以“史”話人，強化學生社會責任意識

教師提供科學史資料：新中國成立后，年輕的中國科學家們從零開始，自己合成所需原料，整個研究的條件十分艱苦，但最終獲得成功。接著教師播放“完美結晶：人工合成牛胰島素”視頻片段，幫助學生深入了解生物科學史。學生通過對科學史的學習，感受到中國科學家不懼困難、團結協作、無私奉獻、為國爭光的精神。

設計意圖：學生通過重溫教材中的科學史，結合并呼應情境主線，旨在提高學生對中國科學技術發展的關注度。在問題的探討過程中，教師引導學生感悟社會主義核心價值觀，強化社會責任意識。學生通過感悟科學家們的探索精神、創新能力以及為社會做出的貢獻，意識到科技強國的意義和社會責任感，最終落實學生生物學學科核心素養的發展。

4 教學反思

本節課基于胰島素注射液說明書創設問題情境，通過以“書”激趣，以“模”助學，以“觀”促思，以“史”話人的教學環節，合理重構教學內容的呈現順序。該教學設計旨在引導學生深入理解本節課程的重難點內容，構建重要概念，同時發展學生的生物學學科核心素養。在教學中，教師既要把控好各環節的時間分配和流程管理，又要保證每個活動能達到預期目的，進而全面提升學生的參與度與獲得感。從而在提升學生的學科知識和技能的同時，也關注學生的個人成長和社會責任的培養。

參考文獻

［1］欒璐.巧用物理模型 突破生物學教學難點［J］.中學生物學，2022，38（1）：38-39+42.