姜 平 冯凌凌

(浙江省杭州市余杭高级中学 浙江杭州 311100)

1 教材分析及设计思路

“蛋白质是生命活动的主要承载者”是2021 版浙科版高中生物学教材《必修1·分子与细胞》第一章“细胞的分子组成”第二节的内容,是学习该模块其他内容和其他模块的重要基础知识。在新授课中学生已经掌握了蛋白质的结构和主要功能等基础知识,这为复习课的学习打下了基础,但新授课重在本节知识的生成与理解,无法实现与教材中其他内容进行联系的设计,因此新授课中学生难以构建关于“蛋白质”的大概念体系,也难以形成该内容中渗透的生命的物质观、结构与功能观、遗传的信息观等生命观念。

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》明确指出生物学学科核心素养是学生在解决真实问题情境中的实际问题时所表现出来的价值观念、必备品格和关键能力。可见,核心素养的落实需要情境作为载体。本节课以学生熟悉的“镰刀形细胞贫血症”为主线化情境,围绕“蛋白质的结构和功能”设计专题复习,将整条情境分解为3 个层层递进的子情境主题,引领学生步步深入地构建概念,并联系细胞的结构、细胞分化、基因表达、基因突变、消毒灭菌等内容精心设计问题链,帮助学生构建完整的蛋白质概念体系,形成多种生命观念,提升模型与建模、归纳与概括以及推理的科学思维,提升关注现实生活的社会责任。

2 教学目标

①通过创设“镰刀形细胞贫血症”的主线情境,关注现实生活,提高社会责任意识。

②通过对红细胞及红细胞中血红蛋白等多种蛋白质结构和功能的分析,形成细胞层次和蛋白质分子层次的结构与功能观。

③通过对珠蛋白β 链的七肽合成过程及血红蛋白加工过程的分析,阐明氨基酸构成多肽链及加工成蛋白质的过程,构建蛋白质的概念体系,提升模型与建模、归纳与概括的科学思维,形成遗传的信息观。

④通过对血红蛋白结构和功能影响因素的分析,完善蛋白质的概念体系,形成生命的物质观,深化蛋白质分子层次的结构与功能观,并运用所学知识指导生产生活实践,提高社会责任意识。

3 教学过程

3.1 创设情境,引入主线

教师播放“镰刀形细胞贫血症的故事”视频,提出问题:视频里讲了什么病? 直接病因是什么? 在学生回答后提出本节课复习的3 个核心问题:血红蛋白的异常为什么会导致镰刀形细胞贫血症? 血红蛋白在红细胞中是怎样合成的? 血红蛋白的结构和功能受到哪些因素的影响?

设计意图:通过生动的视频引入复习的主线情境,激发学生的学习兴趣,同时通过具体的情境使学生认识到生物学知识与现实生活的紧密联系。围绕情境中的血红蛋白将主线情境分解为以3 个核心问题形式展开的子情境主题,使学生清晰地知道复习目标。

3.2 分析情境,层层递进

3.2.1 分析子情境1,感悟蛋白质与细胞功能的关系子情境1:血红蛋白的异常为什么会导致镰刀形细胞贫血症? 教师展示血红蛋白的结构介绍及图片:血红蛋白由珠蛋白和血红素组成。珠蛋白由4 条珠蛋白链(两条α 链和两条β 链)组成的四聚体。每一条链有一个血红素。血红素为环状结构,中间的亚铁可以与氧结合。设置问题链:正常的血红蛋白有什么功能? 血红蛋白结构上有什么特点与功能相适应?人成熟的红细胞除了血红蛋白还有哪些蛋白质? 展示红细胞中多种蛋白质图片,如葡萄糖载体蛋白、酶、激素受体等。教师进而提出问题:它们有什么功能?结构相同吗? 展示红细胞图片,设置问题链:人成熟的红细胞有什么功能? 形态和结构上有什么特点与功能相适应? 血红蛋白的异常为什么会影响镰刀形细胞贫血症患者红细胞的形态和功能?

设计意图:通过文字材料和直观的图片等信息,比较血红蛋白和红细胞中其他蛋白质的结构与功能的差异,形成蛋白质分子层次的结构与功能观。通过分析红细胞的形态结构与功能,形成细胞层次的结构与功能观。通过思考问题链,感悟细胞的功能主要是由蛋白质决定的。

3.2.2 分析子情境2,构建血红蛋白合成的过程

子情境2:血红蛋白在红细胞中是怎样合成的?任务一:分析血红蛋白合成的场所、时间和原料。教师设置问题链:血红蛋白在红细胞的什么场所合成?人成熟的红细胞中有核糖体吗? 血红蛋白在红细胞形成的什么时期合成? 展示造血干细胞分化形成红细胞的过程(图1)。通过提问“合成血红蛋白的原料是什么”过渡到任务二。

图1 造血干细胞分化形成红细胞的过程

任务二:分析血红蛋白的基本单位——氨基酸。设置问题链:构成生物体的氨基酸在结构上有什么共同点? 据此判断图2所示的四种有机小分子中哪些一定不是构成血红蛋白的基本单位?

图2 四种有机小分子

学生通过分析总结构成生物体的氨基酸的统一性和多样性体现,并用氨基酸的结构通式来表示。

任务三:模拟血红蛋白的合成过程,分析多肽形成过程中的数量关系。教师展示从蛋白质数据库中查询到的珠蛋白氨基酸序列,提供材料(一条mRNA链、多个多种氨基酸纸片、剪刀、固体胶或订书机),组织小组活动——模拟珠蛋白β 链的七肽片段的合成。教师巡视学生的活动过程并收集学生的正确作品和典型错误作品,然后通过实物展台展示学生作品,并请学生进行评价。学生通过评价作品逐一澄清易错点:(1)七肽的含义是含有7 个氨基酸的多肽;(2)翻译的起始位点是mRNA 上的起始密码子;(3)氨基酸脱水缩合的过程是氨基脱去氢和羧基脱去羟基,并形成水的过程。在厘清翻译过程和脱水缩合过程后,学生总结多肽中的数量关系(表1)。

表1 多肽中的数量关系

任务四:分析蛋白质结构的多样性。教师设置问题链:血红蛋白中的珠蛋白肽链和红细胞中厌氧呼吸酶等蛋白质中肽链的差异性由哪些因素造成? 珠蛋白肽链加工成特定空间结构的血红蛋白是图3 中的哪条途径? 如何加工?

教师用毛根教具模拟演示肽链通过α 螺旋和β折叠等加工形成球形的血红蛋白。提出问题:镰刀形细胞贫血症患者的血红蛋白为什么从球形变成了纤维状? 进而展示资料:1957年,英国学者英格兰姆发现镰刀形细胞贫血症患者的珠蛋白β 链第6 位的谷氨酸替换为了缬氨酸,且第6 位氨基酸位于血红蛋白的表面。学生分析谷氨酸和缬氨酸的结构特点后推理出:镰刀形细胞贫血症患者的血红蛋白表面的疏水性缬氨酸借助疏水作用使血红蛋白相互连接而形成纤维状的血红蛋白聚合物。

设计意图:围绕子情境2,通过四个步步深入的任务构建蛋白质的概念体系。任务一联系细胞分化的内容分析血红蛋白合成的场所和时间,从细胞水平说明蛋白质合成的场所和时间。任务二分析血红蛋白的合成原料即基本单位,从分子水平说明氨基酸的多样性和统一性。任务三通过小组活动模拟“珠蛋白β链的七肽片段的合成”,从分子水平阐明氨基酸形成多肽的过程,形成遗传的信息观,提升模型与建模的科学思维;并通过分析多肽中的数量关系,提升归纳与概括的科学思维。任务四通过比较珠蛋白肽链和其他蛋白质中肽链的差异性,从分子水平总结蛋白质结构多样性的原因,提升归纳与概括的科学思维;并从“蛋白质合成”延伸到“蛋白质加工”,联系细胞结构的内容深入分析多肽链如何加工成具有特定空间结构的血红蛋白;再从“正常结构的血红蛋白”延伸到“异常结构的血红蛋白”,回归主线情境,分析镰刀形细胞贫血症中异常结构的血红蛋白的形成原因,提升推理的科学思维。

3.2.3 分析子情境3,构建影响蛋白质结构和功能的因素

子情境3:血红蛋白的结构和功能受到哪些因素的影响? 承接子情境2 的任务四,教师提出问题:镰刀形细胞贫血症患者的血红蛋白中谷氨酸替换成缬氨酸是由什么原因引起的? 学生联系基因突变的内容,分析得出:基因中个别碱基对替换引起基因突变,通过转录导致mRNA 中密码子改变,再通过翻译导致珠蛋白β 链第6 位的谷氨酸替换为缬氨酸,从而最终导致血红蛋白的结构和功能异常。教师补充介绍地中海贫血症也是遗传物质改变的内在因素引起蛋白质异常的另一种常见病例。引导学生回顾影响蛋白质结构和功能的外在因素,构建“影响蛋白质结构和功能的因素”概念图(图4)。

图4 “影响蛋白质结构和功能的因素”概念图

设置问题链:消毒和灭菌利用了图5 中的哪些因素? 消毒和灭菌对微生物的蛋白质和生命活动造成了怎样的影响?

图5 蛋白质的概念体系

设计意图:通过分析和总结影响蛋白质结构和功能的因素,进一步完善蛋白质的概念体系,形成生命的物质观,进一步强化蛋白质分子层次的结构与功能观。联系基因突变和消毒灭菌的内容,提升用生物学知识解决生产生活中问题的社会责任感,领悟本节课的复习主题“蛋白质是生命活动的主要承载者”。

3.3 回归情境,再现概念体系

教师再次呈现本节课的3 个子情境主题,回顾本节课的复习内容。通过对课堂开始时提出的3 个核心问题的解释,评价学生复习目标的达成情况。回顾本节课在黑板上通过板书逐步生成的蛋白质概念体系(图5)。

设计意图:通过回顾本节课的复习内容,再现蛋白质的概念体系,使概念结构化、网络化,再次感悟结构与功能观、遗传的信息观和生命的物质观等生命观念。

4 教学反思

创设主线化情境让真实有趣的情境贯穿课堂始终,让学生始终保持学习的热情和探究的欲望。教师以学生熟悉的“镰刀形细胞贫血症”为主线情境,并将其分解为3 个子情境主题,精心设计一系列的任务和问题链,对血红蛋白的相关知识进行步步深入地分析,帮助学生跨章节、跨模块构建蛋白质的完整概念体系,形成结构与功能观、遗传的信息观和生命的物质观等生命观念,提升模型与建模、归纳与概括的科学思维,提升关注现实生活问题并用生物学知识解决生产生活问题的社会责任。