在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，數(shù)字化融合發(fā)展已成為生物學(xué)教育教學(xué)改革的重要趨勢。這種融合不僅能夠提高教學(xué)效率，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進他們對生物學(xué)概念的理解，進而發(fā)展科學(xué)思維。然而，當(dāng)前教學(xué)中仍存在學(xué)生對抽象生物學(xué)概念理解不深等問題?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）強調(diào)了科學(xué)思維的重要性，并指出模型與建模是科學(xué)思維的核心內(nèi)容。模型作為一種認(rèn)識手段和思維方式，能夠幫助學(xué)生將抽象概念具體化，建立空間認(rèn)知。筆者選取“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”這一主題，探討如何將建模與數(shù)字化教學(xué)相結(jié)合，以提升學(xué)生對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解。在ClassIn平臺支持下，學(xué)生可以參與小組建模活動，實現(xiàn)模型的及時檢驗和評價，同時利用在線數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化，逐步深化對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解。這種教學(xué)模式不僅響應(yīng)了課標(biāo)的要求，而且為生物學(xué)教師提供了一種新的教學(xué)參考。

下面，以高中新授課“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”為例，詳細(xì)介紹如何通過信息技術(shù)與生物學(xué)教學(xué)的深度融合，實現(xiàn)建模教學(xué)的創(chuàng)新，幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維，提升結(jié)構(gòu)與功能觀。

一、信息技術(shù)環(huán)境下生物學(xué)建模教學(xué)構(gòu)思

學(xué)生在學(xué)習(xí)“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”這一章節(jié)之前，已經(jīng)掌握了蛋白質(zhì)的消化產(chǎn)物是氨基酸、蛋白質(zhì)基本構(gòu)成以及“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”的實驗等知識。然而，由于學(xué)生尚未接觸有機化學(xué)，氨基酸如何形成蛋白質(zhì)的過程對他們來說顯得抽象且難以理解。筆者從氨基酸的結(jié)構(gòu)通式出發(fā)，使用球棍模型構(gòu)建氨基酸分子模型，模擬脫水縮合形成多肽，再形成蛋白質(zhì)；圍繞核心問題引導(dǎo)學(xué)生思考，逐步深化對氨基酸形成蛋白質(zhì)過程的理解[1]。學(xué)生分組合作建模，體驗科學(xué)思維過程，進而掌握基于模型的學(xué)習(xí)方法。

（一）氨基酸結(jié)構(gòu)建模活動

筆者引導(dǎo)學(xué)生基于初中生物學(xué)知識，建立大分子的蛋白質(zhì)與小分子的氨基酸之間的關(guān)系。學(xué)生觀察幾種氨基酸的結(jié)構(gòu)式的圖片，歸納這些氨基酸分子結(jié)構(gòu)的共同特點，找出特征基團，結(jié)合信息技術(shù)活動（如以特征基團作為組件設(shè)計拖曳游戲來構(gòu)建氨基酸結(jié)構(gòu)等），將復(fù)雜的知識簡單化，抽象出其本質(zhì)屬性，構(gòu)建出氨基酸分子的結(jié)構(gòu)通式。每組學(xué)生對照21種氨基酸結(jié)構(gòu)式，使用球棍模型構(gòu)建氨基酸（如圖1），對氨基酸結(jié)構(gòu)就有了更加真切完整的理解和感悟。

（二）多肽形成過程建?；顒?/p>

學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)史，了解到英國科學(xué)家桑格在1953年測得牛胰島素分子全部氨基酸的排列順序，牛胰島素由兩條鏈組成（如圖2），分別為A鏈和B鏈，它們由51個氨基酸分子組成，其中A鏈含有21個氨基酸分子，B鏈含有30個氨基酸分子。

學(xué)生繼續(xù)進行組內(nèi)和組間的合作與討論，將已經(jīng)建模得到的氨基酸球棍模型，按照胰島素A鏈的氨基酸序列，逐步模擬脫水縮合形成二肽（如圖3）、三肽……多肽的過程。筆者借助ClassIn平臺，實時分享學(xué)生建模進程，放大建模時原子間、基團間、脫水縮合過程細(xì)節(jié)，實時高效地進行建模評價與修正。

（三）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性探討活動

筆者提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考?！拔覈茖W(xué)家在合成結(jié)晶牛胰島素的時候，將這21個氨基酸分子形成A鏈的過程中有可能合成出多少種多肽？A鏈和B鏈形成二硫鍵時有多少種組合的可能？這兩條鏈最終能夠形成的胰島素蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是特定的嗎？”為探究“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因”，筆者還組織學(xué)生分工與合作，讓學(xué)生根據(jù)自己的想法完成不同肽鏈的建模。同時，利用RCSB PDB蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，建立對蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)及其多樣性更加立體、直觀的認(rèn)識。

在整個教學(xué)過程中，筆者圍繞“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”這一核心問題，一步步推進小組活動（如圖4），引導(dǎo)學(xué)生建模。在建模活動中，筆者讓學(xué)生多思考、親身實踐，深入理解知識。學(xué)生通過完成學(xué)習(xí)任務(wù)、組間互評、根據(jù)反饋修正模型等活動來發(fā)展和拓寬科學(xué)思維。

二、數(shù)字建模創(chuàng)新實踐

（一）信息技術(shù)環(huán)境下教學(xué)資源的豐富性

信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合，是提高課堂教學(xué)效率的重要途徑，是數(shù)字化時代人才培養(yǎng)的需要，有助于學(xué)生高效建模。教師整合信息技術(shù)，使得教學(xué)不再局限于教材內(nèi)容，而是拓展到更廣闊的資源領(lǐng)域。教師根據(jù)學(xué)生需求，及時地引入文字、圖片和視頻等教學(xué)材料。在這種共享的環(huán)境中，學(xué)生不僅能夠完成建模任務(wù)，而且能在信息的交流與合作中得到全面發(fā)展。

課前，筆者利用“問卷星”測評學(xué)生對關(guān)于蛋白質(zhì)知識的了解程度，利用Word文檔提供閱讀材料，鼓勵學(xué)生閱讀、分析，歸納信息，以此鍛煉學(xué)生的閱讀和分析能力。課堂上，首先聚焦于歸納蛋白質(zhì)的功能，讓學(xué)生用PPT展示預(yù)習(xí)成果，用以提高學(xué)生的主體參與感，促進學(xué)生之間的互動交流，幫助他們鞏固與內(nèi)化知識。然后，為了讓學(xué)生更深入地了解科學(xué)史并增強民族自豪感，筆者分享了關(guān)于合成結(jié)晶牛胰島素的視頻資料，同時引導(dǎo)學(xué)生分析科學(xué)家遇到的難題及其解決問題的態(tài)度與方法，以此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。隨后，筆者分享氨基酸的結(jié)構(gòu)式圖片與視頻，引導(dǎo)學(xué)生進行氨基酸結(jié)構(gòu)建模；分享脫水縮合的動態(tài)視頻，讓學(xué)生探究多肽的氨基酸間關(guān)系；播放蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)3D動畫，幫助學(xué)生理解蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)；利用PPT展示不同蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)與功能觀等。課后，為了促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)與獨立思考，筆者鼓勵學(xué)生自主上網(wǎng)查閱資料，梳理課上所學(xué)內(nèi)容，并進一步思考還可以從哪些角度理解“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”，鞏固所學(xué)知識，提升自主學(xué)習(xí)能力和批判性思維能力。

（二）ClassIn平臺助力建模教學(xué)

由于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)較為抽象和復(fù)雜，教師僅憑具象化的語言和圖片不利于學(xué)生理解，且學(xué)習(xí)積極性不高。筆者以動畫資源、拖曳游戲、球棍模型、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫、3D圖形旋轉(zhuǎn)等多元化的方式和感性材料呈現(xiàn)內(nèi)容，同時借助ClassIn課堂構(gòu)建智慧教學(xué)環(huán)境，形成教師、學(xué)生、教材、教學(xué)媒體、教師計算機、學(xué)生計算機的聯(lián)動，幫助學(xué)生理解建模材料與元素、完成建模任務(wù)、分享討論課堂練習(xí)成果與小組筆記。在氨基酸結(jié)構(gòu)建?；顒又校P者在教師端借助ClassIn平臺向各組學(xué)生端電腦或平板電腦分享不同氨基酸的結(jié)構(gòu)式圖片，讓學(xué)生使用手寫板或鼠標(biāo)畫筆對不同氨基酸結(jié)構(gòu)之間的異同進行討論分析與批注，借助ClassIn平臺實時分享，分組展示并互評。之后，為了幫助學(xué)生更好地構(gòu)建氨基酸結(jié)構(gòu)模型，筆者設(shè)計了基團拖曳游戲，讓學(xué)生在構(gòu)建氨基酸模型前充分理解所需特征基團。在分組討論中，學(xué)生在座位展示討論思路、做筆記。這樣不僅節(jié)約時間、方便組間的評價與互動，而且有利于學(xué)生自主構(gòu)建氨基酸模型。在多肽形成過程建模活動中，各組可以根據(jù)實際情況選擇直接展示或借用攝像頭來展示所構(gòu)建的氨基酸、二肽、多肽等模型。目前常用的球棍模型尺寸較小，復(fù)雜模型的原子容易被遮擋，教師用攝像頭能夠很好地起到放大的作用，幫助學(xué)生更精準(zhǔn)地找到特定的原子，并理解原子間鍵的連接和空間位置關(guān)系。這也使得學(xué)生在課堂上觀察更便捷、清晰，討論更加高效，建模評價更加精準(zhǔn)，修正更加到位。

（三）蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫助力直觀認(rèn)識

由于蛋白質(zhì)分子微小，學(xué)生學(xué)習(xí)起來存在一定困難。學(xué)生借助RCSB PDB蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在線搜索數(shù)據(jù)庫[2]，可高效完成探究任務(wù)，如利用數(shù)據(jù)庫搜索牛胰島素（ID ：4E7T）的3D空間結(jié)構(gòu)（如圖5），使用鼠標(biāo)拖曳、旋轉(zhuǎn)可以直觀觀察牛胰島素的整體空間結(jié)構(gòu)，也可以點擊空間結(jié)構(gòu)上的任一位置，得到對應(yīng)的氨基酸序列。學(xué)生借此了解氨基酸序列與蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系，對多肽盤曲折疊形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的理解更加深入。

學(xué)生在理解蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的多樣性時，使用該數(shù)據(jù)庫比對牛胰島素和人胰島素結(jié)構(gòu)。他們比對這兩種蛋白質(zhì)氨基酸序列，直觀地看出這兩種蛋白質(zhì)在空間結(jié)構(gòu)上的異同，從而在氨基酸序列和蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)之間建立深入而直觀地理解。還有學(xué)生利用數(shù)據(jù)庫查詢搜索更多不同的蛋白質(zhì)，思考理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性產(chǎn)生的原因，進一步建立結(jié)構(gòu)與功能觀。

三、數(shù)字建模教學(xué)的反思與建議

在高中生物學(xué)教學(xué)中，適合在信息技術(shù)環(huán)境下采用建模教學(xué)的內(nèi)容還有很多，如真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模型、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、轉(zhuǎn)錄與翻譯過程模型建構(gòu)、有絲分裂與減數(shù)分裂過程模型建構(gòu)等。教師可以借此引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型、使用模型、評價模型、修正模型，一步一步地完善模型的建構(gòu)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。同時，教師科學(xué)運用信息技術(shù)，對學(xué)生的建模作品及時評價與修正，幫助他們建立生命觀念。

（一）整合數(shù)字資源創(chuàng)設(shè)建模情境

教師應(yīng)明確課程教學(xué)目標(biāo)以及需要建模的生物學(xué)概念或過程。建模教學(xué)需匹配恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，這樣才能真正實現(xiàn)其意義[3]。教師做好收集、篩選工作，整合數(shù)字資源，如在線平臺、文字資料、圖片、視頻、3D動畫、模擬軟件等，運用數(shù)字資源創(chuàng)設(shè)建模情境，輔助建模教學(xué)[4]。

（二）妙用平臺實施及時有效的建模評價

在傳統(tǒng)的生物學(xué)建模教學(xué)中，評價環(huán)節(jié)教師常常面臨時效性和精確性的挑戰(zhàn)，而這些及時的評價對于學(xué)生的學(xué)業(yè)進展、激勵學(xué)習(xí)熱情以及教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整都極為重要。建?；顒颖旧戆瑥?fù)雜的思維和創(chuàng)新解決方案，且過程漫長，涵蓋了從數(shù)據(jù)搜集到模型構(gòu)建、驗證和修正等步驟。特別是在高中生物學(xué)領(lǐng)域，模型往往精細(xì)且涉及微觀結(jié)構(gòu)，使得學(xué)生在講臺上展示成果時效果不盡如人意。在有限的課堂時間內(nèi)，教師難以確保每位學(xué)生都能清晰地展現(xiàn)建模過程和成果，導(dǎo)致師生之間、學(xué)生之間無法進行及時且全面的評估，影響了教學(xué)效果。應(yīng)用信息技術(shù)之后一系列問題將迎刃而解，不僅能夠高效地提供建模所需的資源，還能收集和處理學(xué)生的建模數(shù)據(jù)，確保評價的及時性和準(zhǔn)確性。此外，教師利用多種可視化手段，使學(xué)生能夠更直觀地理解建模的全過程及其成果。以ClassIn平臺為例，教師利用平臺支持的音視頻實時互動、屏幕共享、分組討論、自定義評分顯示、作業(yè)與測驗反饋、課堂錄像回放等功能，極大地促進了實時交流和指導(dǎo)，使建模過程的細(xì)節(jié)展示更加清晰，互動氛圍更加積極，同時也能更準(zhǔn)確地反映學(xué)生的建模能力和素養(yǎng)。

（三）巧用數(shù)據(jù)庫與軟件使生物大分子結(jié)構(gòu)可視化

目前已經(jīng)涌現(xiàn)一批權(quán)威的生物學(xué)數(shù)據(jù)庫，如美國國家生物技術(shù)信息中心、PubMed、RCSB PDB蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫等，以及PyMOL、Chimera、VMD等生物大分子可視化軟件。學(xué)生動手操作數(shù)據(jù)庫和可視化軟件，參與查詢、下載、可視化探究，親身體驗生物學(xué)數(shù)字建模的過程，有助于培養(yǎng)實踐能力和科學(xué)探究精神，深刻理解生物大分子的結(jié)構(gòu)特征和功能關(guān)系。

（四）融合信息技術(shù)促進課堂互動

信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合，是提高課堂教學(xué)效率的重要途徑，是數(shù)字化時代人才培養(yǎng)的需要。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用有助于增進生物學(xué)教學(xué)課堂互動，如師生互動、生生互動、人機互動等[5]。教師不但需要對知識體系有正確的認(rèn)識和理解、熟練掌握信息技術(shù)技能與多元方式，而且對互動內(nèi)容的選擇和設(shè)計也要仔細(xì)斟酌。教師應(yīng)充分運用信息技術(shù)，巧妙地將其與課堂教學(xué)融合起來，以學(xué)生為主體，優(yōu)化教學(xué)過程，促進課堂互動，激發(fā)學(xué)生興趣、提高學(xué)生參與度，幫助學(xué)生建立生命觀念，達(dá)成深度學(xué)習(xí)目標(biāo)。

通過上述教學(xué)構(gòu)思與實踐，我們可以看到信息技術(shù)環(huán)境下生物學(xué)建模教學(xué)的潛力和效果。采用這種方式教學(xué)不僅能夠提高學(xué)生的科學(xué)思維和實踐能力，還能夠促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)。隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，我們可以預(yù)見，未來的生物學(xué)教學(xué)將更加多元化、個性化和高效化。

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、人民教育出版社人教數(shù)字教育研究院2022年度重點課題“基于數(shù)字資源與技術(shù)的生物學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新實踐研究”（課題編號：RJA0222002）的階段性研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐創(chuàng)強.“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”問題驅(qū)動教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)生物教學(xué)，2022（33）：61-64.

[2] 劉偉華，李霞，何彬，等.聚焦生命觀念的線上教學(xué)：以專題復(fù)習(xí)課“胰島素的前世今生”為例[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2023（1）：3-27.

[3] 趙萍萍，李秋石，劉恩山.生物學(xué)建模教學(xué)設(shè)計誤區(qū)分析及啟示[J].中學(xué)生物教學(xué)，2021（12）：44-48.

[4] 趙萍萍，劉恩山.生物學(xué)建模教學(xué)研究進展及啟示[J].生物學(xué)通報，2015 （1）：19-23.

[5] 丁學(xué).信息技術(shù)環(huán)境下高校課堂教學(xué)師生互動路徑的探索[J]. 山東電力高等專科學(xué)校學(xué)報，2022（5）：68-70.

（作者王曉蕾、劉偉華系北京景山學(xué)校教師；李霞、王宇系北京市東城區(qū)教育科學(xué)研究院教研員）

責(zé)任編輯：祝元志