融入科学史培养科学思维的教学设计——以“蛋白质是重要的生物大分子”一课为例

（上海市卢湾高级中学上海200023）

本节课是上科版高中生物学《必修1·分子与细胞》第二章“细胞的分子组成”第二节“蛋白质和核酸是重要的生物大分子”的第一课时。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》在“分子与细胞”模块的概念1中明确要求“阐明蛋白质通常由20种氨基酸分子组成，它的功能取决于氨基酸序列及其形成的空间结构，细胞的功能主要由蛋白质完成”。其中，蛋白质的形成过程及蛋白质结构和功能的关系既是重点，也是难点。本节课以我国成功合成结晶牛胰岛素这一科学事件为载体，运用模型建构、全息视频、演示实验等多种教学手段，让学生在对蛋白质结构的认识中，培养科学思维，逐步形成结构与功能相统一的生命观念，感悟科研工作的不易和科学家的执着精神，提升民族自豪感。

①通过课堂交流和分析归纳，认识生物体内蛋白质的主要功能，体会蛋白质是生命活动的主要承担者，从分子水平感悟生命的物质性。

②通过模型建构，描述氨基酸的结构特点及其形成蛋白质的过程，提升归纳与概括、模型与建模、质疑与探究的科学思维能力。

③通过“牛胰岛素的合成之路”，体验科学探究的过程，进一步形成结构与功能相统一的生命观念。关注蛋白质的科学研究进展，养成尊重科学、崇尚科学的态度。

教师播放视频：2016年我国“科学号”科考船发现某深海热液区的喷口不断喷出超临界二氧化碳，其周围聚集着大量的含氮化合物。科学家据此提出生命起源的又一假说，超临界二氧化碳在漫长的岁月中，将大量的含氮物质富集并形成氨基酸，进而聚合成为蛋白质，生命由此诞生。教师提问：为什么氨基酸形成蛋白质后，生命就诞生了？学生根据查阅的资料，说出蛋白质的各种功能。教师追问：如果没有这些功能多样的蛋白质，生命将会怎样？

设计意图：教师用视频中的科学发现引出主题——蛋白质是重要的生物大分子。学生通过了解蛋白质的多种功能，体会到“蛋白质与生命活动息息相关，是生命活动的主要承担者”。

教师介绍我国科学家合成世界上第一个具有活性的蛋白质——牛胰岛素的科研成就及其重要意义，并基于此段科学史，带领学生探究氨基酸形成蛋白质的过程。

3.2.1科学家筹集合成牛胰岛素的氨基酸——氨基酸的结构

教师提问：如果你是当时科学团队中的一员，你会如何设计实验方案？学生讨论后，回答：首先要明确牛胰岛素的结构，然后选择合适的方法进行合成。教师追问：如何证明合成出的蛋白质与天然的牛胰岛素一样具有活性？学生回答：将它和天然的牛胰岛素分别注射到小鼠体内，观察小鼠的反应是否一致。

接着，教师展示资料：任何一种蛋白质都具有特定的结构，牛胰岛素的结构是由一位英国的化学家在1955年测序完成的。它共有17种、51个氨基酸，连成A、B链，再由二硫键连接起来。据此，教师追问：清楚了牛胰岛素的结构后，科学家首先需要做些什么呢？学生回答：需要足够的氨基酸。教师提问：什么是氨基酸？其结构有什么特点？并要求学生观察教材中的几种氨基酸结构，用泡沫小球和牙签制作出简易模型归纳概括出它们的共性特征，不同的部分可以用R表示。学生分小组协作完成氨基酸结构通式的建模并描述其特点，即氨基、羧基、氢原子及侧链R基共同连在一个中心碳原子上。

设计意图：通过设计实验方案，学生能够掌握科学探究的基本思路和方法，亲历科学发现的过程，主动参与学习蛋白质的相关知识。通过观察，学生能够掌握归纳概括的方法，并学会运用模型与建模的手段提炼不同事物的本质特征。

3.2.2合成A链和B链——氨基酸形成多肽链

科学家接下去将氨基酸连接起来形成A、B链，这个过程在生物体内是通过脱水缩合反应完成的。学生自主讨论脱去1分子水、连接两个氨基酸的途径。结果学生讨论出了各种连接方式（图1）。教师请学生投屏展示，阐述思路。教师提问：牛胰岛素有两条肽链，分别由21个和30个氨基酸组成，二肽分子还需要继续以脱水缩合的方式连接其他的氨基酸。这些不同的连接方式可以继续吗？学生分析发现②不能继续脱水缩合，由此排除该种连接方式。

接着，教师追问：根据X射线显示的衍射图，肽键是在C原子和N原子间形成的单键，以上连接方式中又有哪些是不符合事实的？学生据此排除了①和③，最终确定了④是正确的连接方式。

教师再次追问：科学家在合成A、B链时，还会遇到哪些困难？学生各抒己见，学生甲：除了形成长链，我觉得还有可能会形成环状，因为两头的氨基和羧基也可以发生脱水缩合。学生乙：组成两条链的氨基酸数目需要控制好。学生丙：氨基酸的顺序也需要注意，顺序变了，就不是牛胰岛素的肽链结构了……

设计意图：教师鼓励学生大胆假设，并根据假设开展有理有据的探究活动。此时，结果的正确与否不作为评判的主要标准，教师需要重点关注学生的思维过程，在充分赞扬学生具备创新精神的前提下，指导他们学会运用批判的