聚焦生命觀念的線上教學

劉偉華??李霞??何彬??楊恬然

摘要：線上教學背景下，教師以胰島素合成的相關科學研究發(fā)展過程中的重要事件為線索，聚焦生命觀念，借助專業(yè)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)合成胰島素分子結(jié)構可視化，應用數(shù)字化工具開展師生互動、生生互動，促進信息技術與課堂教學深度融合，提升學生的結(jié)構與功能觀，以及生命的信息觀。

關鍵詞：數(shù)字化教學；生命觀念；蛋白質(zhì)；生物學

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，生命觀念是指對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關系或特性進行解釋后的抽象，是人們經(jīng)過實證后的觀點，是能夠理解或解釋生物學相關事件和現(xiàn)象的意識、觀念和思想方法。教師要引導學生在理解并運用生物學概念的基礎上建立生命觀念。信息技術與課堂教學深度融合是大勢所趨。教師科學應用信息技術能夠更好地創(chuàng)設情境，開展課堂活動，改進教學方式，幫助學生建立生命觀念，實現(xiàn)深度學習目標。如何確保線上教學的實效性，助力線上教學與線下實踐？下面，筆者以“胰島素的前世今生”的教學設計為例，介紹如何有效開展數(shù)字化教學。

一、“胰島素的前世今生”數(shù)字化教學設計

（一）教學內(nèi)容分析

蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者，為生命活動提供重要支持。蛋白質(zhì)功能多樣性與其結(jié)構密不可分。有的蛋白質(zhì)是細胞結(jié)構的重要組成成分，有的蛋白質(zhì)具有運輸功能，有的蛋白質(zhì)具有催化化學反應的功能。胰島素從化學本質(zhì)上看是蛋白質(zhì)，常用于治療糖尿病。在過去的近百年時間，胰島素經(jīng)歷了從無到有，從動物胰島素到人胰島素，再到胰島素類似物三個階段。筆者以胰島素的發(fā)展歷程這一真實情境為背景，層層遞進解決現(xiàn)實問題，組織專題復習課的教學活動。

蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者這部分內(nèi)容，還涉及基因的表達、基因工程和蛋白質(zhì)工程等知識。教師從多個角度闡釋蛋白質(zhì)結(jié)構與功能的關系，聚焦結(jié)構與功能觀，帶領學生熟悉蛋白質(zhì)合成過程，揭示科學本質(zhì)，構建生命的信息觀。

（二）主要教學環(huán)節(jié)及問題設計

教師圍繞“如何利用胰島素的結(jié)構進行胰島素合成以實現(xiàn)其功能的優(yōu)化”這一核心問題，以研究合成胰島素為主線，通過問題串引導學生思考活動。筆者結(jié)合案例，做了如下的教學流程及問題設計（如圖1）。

（三）教學過程

1. 情境引入，復習反饋

據(jù)最新流行病學調(diào)查數(shù)據(jù)，目前我國糖尿病患病率為11.2%，呈逐年上升趨勢。依據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）診斷標準，注射胰島素是降低血糖的有效手段。教師首先提出問題“胰島素為何能發(fā)揮降血糖的功能”“胰島素在胰島B細胞中是如何合成的”，然后反饋學生的掌握情況，出示圖片并講解胰島素合成過程（如圖2）。

2. 人工合成牛胰島素

注射用的胰島素是怎么來的呢？教師引導學生閱讀學案中我國科學家合成牛胰島素的相關資料，并提出問題：“人工合成牛胰島素面臨哪些問題？”學生回答：考慮兩點——人工合成牛胰島素需要哪些原料；合成后是否就具有功能。

教師出示英國科學家桑格（F.Sanger）在1953年測得牛胰島素全部氨基酸的排列順序的相關資料（如圖3）。

布置任務：教師以A鏈中第3位的纈氨酸和第4位的谷氨酸為例，板書兩個氨基酸的脫水縮合過程，并邀請一名學生在平臺屏幕上書寫。在學生完成任務后，教師進行點評，播放氨基酸形成多肽鏈的視頻，夯實脫水縮合過程相關知識。教師在此基礎上追問：“人工合成A鏈、B鏈后，牛胰島素就可以發(fā)揮作用嗎？”學生討論后闡明觀點：只有A鏈和B鏈盤曲折疊，形成特定的空間結(jié)構，胰島素才能發(fā)揮作用。教師推送牛胰島素的網(wǎng)址鏈接，讓學生利用RCSB pdb蛋白結(jié)構在線搜索數(shù)據(jù)庫，通過拖曳全方位直觀認識牛胰島素的3D空間結(jié)構。學生播放紀念人工合成結(jié)晶牛胰島素50周年紀錄短片，了解我國科學家付出的努力及其價值。

至此，學生夯實了氨基酸合成蛋白質(zhì)過程的知識，厘清了牛胰島素合成的思路，感悟科學家吃苦耐勞、團結(jié)協(xié)作的精神，增強了民族自信。

3. 用基因工程技術合成人胰島素

臨床研究發(fā)現(xiàn)，人類使用動物胰島素會出現(xiàn)排異現(xiàn)象。為什么？學生對此提出假說：可能牛胰島素與人胰島素氨基酸序列存在差異，導致空間結(jié)構存在差異，使牛胰島素進入機體后類似于抗原，引起機體的免疫排斥反應。如何證明呢？教師再一次推送RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫，讓學生使用數(shù)據(jù)庫查找并比對牛胰島素（ID：4E7T）和人胰島素（ID：5ENA）的氨基酸序列及空間結(jié)構。學生發(fā)現(xiàn)牛胰島素和人胰島素存在差異，進一步理解使用動物胰島素會出現(xiàn)藥物抵抗現(xiàn)象的原因，認識到生產(chǎn)人胰島素非常必要。

教師提問：“如何生產(chǎn)人胰島素？”學生利用平臺分組討論后，匯報交流，最終形成兩種方案。

方案1：分別將人胰島素A鏈和B鏈對應的基因編碼序列作為目的基因進行轉(zhuǎn)基因，分別生產(chǎn)A鏈和B鏈，再通過組裝合成人胰島素。

方案2：將人胰島素原所對應的基因編碼序列作為目的基因進行轉(zhuǎn)基因，合成胰島素原，后經(jīng)細胞外酶切獲得胰島素。

教師出示資料：隨著基因工程技術的發(fā)展，重組人胰島素逐漸取代動物胰島素。早期人們重組人胰島素生產(chǎn)，采用A、B鏈分別表達法。后來該方法被胰島素原表達法取代，即由大腸桿菌合成胰島素原，然后經(jīng)細胞外酶切獲得胰島素。教師肯定學生提出的方案，增強學生信心。

4. 胰島素類似物的誕生

用基因工程技術獲得的人胰島素，無法很好地模擬生理胰島素的分泌，存在延遲問題，患者必須在餐前30分鐘注射，一旦忘記，進餐可能引起低血糖。

教師提問“為什么會出現(xiàn)上述現(xiàn)象”，引導學生閱讀學案中與胰島素出現(xiàn)延遲的分子機制有關的資料，找到答案：胰島素經(jīng)皮下注射后會形成六聚體，六聚體的解聚需要時間，因此注射胰島素發(fā)揮作用會有所延遲（如圖4）。

如何解決延遲問題？教師引導學生將關注點聚焦在胰島素的空間結(jié)構上——一個胰島素B鏈的第28位Pro與另一個胰島素B鏈23位的Gly之間能夠形成緊密的范德華力，這是胰島素形成六聚體的關鍵。學生討論后提出問題：能否通過蛋白質(zhì)工程在不改變胰島素功能的情況下，改變胰島素B鏈的第28位Pro或B鏈23位的Gly，以消除范德華力？對此，教師給予肯定并出示科學家改造胰島素的相關資料（如圖5）。

注：圖中灰線顯示的是改造后的胰島素，左右各有一個胰島素。黑線顯示的是改造前的原始胰島素。圖中虛線表示的是B鏈的第28位Pro與另一個胰島素B鏈23位的Gly形成范德華力，而改造后的胰島素則不存在這個作用力。

布置任務：教師引導學生思考如何用蛋白質(zhì)工程技術改造胰島素，讓學生使用平臺的“小黑板”書寫基本流程。通過交流評價，學生掌握了蛋白質(zhì)工程基本流程，提升了結(jié)構與功能觀，以及生命的信息觀，認識生物技術的重要價值。

5. 課堂小結(jié)

教師提問“蛋白質(zhì)功能的多樣性是如何實現(xiàn)的”，引導學生進行總結(jié)，并通過平臺中的板書功能對概念進行梳理。

（四）各環(huán)節(jié)中數(shù)字化資源與技術的選擇

為更好地進行課堂互動，教師使用交互性較好的ClassIn平臺開展教學，并將有關資源與技術貫穿課程始終（見表1）。

二、信息技術與教學深度融合的分析

教師應用信息技術可以更好地創(chuàng)設教學情境，實現(xiàn)深層互動（包括人機互動、師生互動、生生互動），激發(fā)學生的興趣和創(chuàng)新活力，發(fā)揮學生的學習主體作用，更好地實現(xiàn)因材施教。線上教學保證了教學活動的順利開展，但是也會面臨線上教學課堂學生參與度低、主動性差等問題。為解決這些問題，教師在備課過程中做了大量的嘗試，并取得了很好的效果。

（一）線上平臺輔助課堂互動教學

課堂互動影響信息傳遞效果。教師先后嘗試了很多平臺，最后選用ClassIn平臺。該平臺在互動教學方面具有優(yōu)勢，教師可使用放大攝像頭、分組、板書、測驗等功能，開展課前、課中、課后教學活動，提高信息傳遞效率與學生學習效率。教師應用互動平臺開展線上教學，互動效果良好。

一是課堂互動時效性強。有效開展線上教學的關鍵是如何實現(xiàn)師生的自由互動、實時互動、規(guī)范互動。線上教學中，在平臺的輔助下每個環(huán)節(jié)教師都可以根據(jù)題目難度及特點，選擇學生回答，學生也可以主動舉手回答。學生除回答問題外還可以提出問題，表達困惑。平臺保障了互動時效性，向用戶第一時間反饋信息，這有利于學生有效接收信息、建構概念，也有利于教師及時發(fā)現(xiàn)學生錯誤概念，為糾錯提供依據(jù)。

二是課堂互動形式多樣。除傳統(tǒng)問答方式互動之外，教師還采用線上分組討論等形式互動教學。例如，復習氨基酸分子脫水縮合時，學生在屏幕上書寫是對在黑板上書寫的高度模擬；探討如何利用基因工程技術生產(chǎn)人胰島素時，由于任務難度較大，教師組織學生線上分組討論；在探索如何利用蛋白質(zhì)工程技術改造胰島素這一環(huán)節(jié)，教師用平臺“小黑板”收集學生答案，幫助學生提高科學表達能力。

（二）線上數(shù)據(jù)庫助力學生直觀認識蛋白質(zhì)結(jié)構

在數(shù)據(jù)庫的選擇方面，教師先后嘗試了多種專業(yè)的在線數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過前期調(diào)研，搜集學生的反饋信息，發(fā)現(xiàn)用?RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫更為有利：比對蛋白質(zhì)結(jié)構，操作更加容易，蛋白質(zhì)空間結(jié)構效果直觀，容易觀察，并且能夠在蛋白質(zhì)空間結(jié)構中快速查找每個位點的氨基酸。

蛋白質(zhì)的氨基酸序列與空間結(jié)構的內(nèi)容既微觀又抽象，學生不易理解。如何突破這一教學難點？教學中，教師兩次帶領學生應用RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫進行探究。

1.直觀認識牛胰島素3D空間結(jié)構

多肽鏈是如何盤曲折疊形成具有一定空間結(jié)構的蛋白質(zhì)呢？為探究這一問題，教師推送牛胰島素的網(wǎng)址鏈接，讓學生利用數(shù)據(jù)庫，通過拖曳全方位直觀認識牛胰島素的3D空間結(jié)構（如圖6），進而理解蛋白質(zhì)有特定的結(jié)構，認識到每種蛋白質(zhì)的特定功能與其相應的空間結(jié)構密不可分，在體驗過程中建立結(jié)構功能觀。

2.比對牛胰島素和人胰島素的氨基酸序列及空間結(jié)構

為驗證牛胰島素和人胰島素存在差異，教師推送數(shù)據(jù)庫鏈接，引導學生用數(shù)據(jù)庫查找并比對牛胰島素（ID：4E7T）和人胰島素（ID：5ENA）的氨基酸序列及空間結(jié)構（如圖7）。

師生應用RCSB pdb數(shù)據(jù)庫，不僅可以比對兩種蛋白質(zhì)氨基酸序列的異同，而且可以直觀全方位觀察蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構。通過比對，學生發(fā)現(xiàn)牛胰島素和人胰島素存在3個氨基酸的差異，并且這些差異均導致二者空間結(jié)構的不同。由此，學生深刻體會蛋白質(zhì)分子中氨基酸種類及其排列順序?qū)ζ淇臻g結(jié)構的影響，深入理解蛋白質(zhì)結(jié)構多樣性的原因，進一步建立結(jié)構與功能觀。學生通過數(shù)字化實驗得出對比結(jié)果，有利于他們理解使用動物胰島素會出現(xiàn)藥物抵抗現(xiàn)象的原因，有利于他們認識生產(chǎn)人胰島素的意義。

學生通過應用RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫，參與科學研究的重要環(huán)節(jié)，直觀體驗和認識蛋白質(zhì)的空間結(jié)構，對于深入理解蛋白質(zhì)結(jié)構多樣性形成的原因、建構結(jié)構與功能觀具有重要作用，同時對訓練科學思維具有重要價值。學生學會應用數(shù)據(jù)庫有利于日后學習與探索，為他們尋找證據(jù)搭建階梯，受用終身。此外，師生與時俱進應用在線數(shù)據(jù)庫，發(fā)揮了一般課堂無法替代的價值，促進了信息技術與教學深度融合，也體現(xiàn)了生物學學科特色。

三、總結(jié)

學生建構正確的生命觀念有助于他們理解較大范圍的生物學事件和生命現(xiàn)象，在面對生活的問題和挑戰(zhàn)時具有更好的解釋力和決策能力。學生在新授課學習中已初步構建生命觀念。對于本節(jié)復習課的教學，教師從真實情境出發(fā)，充分利用信息技術引導學生運用結(jié)構與功能觀和生命的信息觀解決實際問題，提升生命觀念。例如，教師引導學生應用RCSB pdb在線數(shù)據(jù)庫對比牛胰島素和人胰島素的異同，直觀感受并認識蛋白質(zhì)空間結(jié)構差異與功能的關系；利用平臺交互功能反饋學生運用基因工程技術、蛋白質(zhì)工程技術設計生產(chǎn)人胰島素、改造胰島素的方案，都需要學生在認同結(jié)構與功能觀的基礎上，運用生命的信息觀解決實際問題。

信息技術與課堂教學融合是信息時代教學改革的需要，是數(shù)字化時代人才培養(yǎng)的需要，是提高課堂教學效率的重要途徑。不論是線上教學還是線下教學，信息技術已經(jīng)潛移默化逐漸走進課堂，融入課堂。在未來的大多數(shù)課堂中，數(shù)字化教學將是不可或缺的構件。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點實驗室、人教數(shù)字教育研究院2022年重點課題“基于數(shù)字資源與技術的生物學科教學創(chuàng)新實踐研究”（課題編號：?RJA0222002）的階段性成果。

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（作者劉偉華、何彬、楊恬然系北京景山學校教師；李霞系北京市東城區(qū)教育科學研究院教研員）

責任編輯：祝元志