1. 引言
生物学科学史作为科学知识发现历程的载体，是培养学科核心素养的重要教育资源。情境教学则为知识建构与素养落实提供了关键路径。然而，在当前高中生物学教学实践中，科学史材料往往被简单地作为“附加信息”或“点缀”处理，未能有机融入知识主线，导致学生难以深入体会科学探索的真实过程[1]。同时，情境设计容易陷入"为情境而情境"的形式化误区，使得学生高阶思维的培养和社会责任意识的形成效果不佳[2]。这些教学实践中的现实困境不仅制约了科学史应有的教育价值，也影响了学生对生物学核心概念的深度理解与科学精神的认同。基于此，本研究以“蛋白质是生命活动的主要承担者”这一主题为例，尝试以“人工合成牛胰岛素”这一完整科学史实为主线，系统设计贯穿课堂的情境与探究活动，旨在探索科学史与教学内容深度融合的有效路径，为一线提供实践参考。
2. 教学分析及设计思路
“蛋白质是生命活动的主要承担者”是人教版2019年普通高中生物学《必修1·分子与细胞》模块第2章第4节的内容，主要包括蛋白质的功能、结构及其多样性三部分。《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》“分子与细胞”模块中对本节的内容要求为核心概念1“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”，学生需通过本节内容的学习，便于理解“细胞的物质性”，并为后期学习“细胞的结构”、“细胞的多样性与统一性”奠定基础，从而最终构建这一核心概念。通过分析课标中的学业要求可知，在本节内容的学习后，要求学生掌握蛋白质的结构与功能，并建立“结构与功能观”这一生命观念[3]。
本节教学设计主要运用情境创设教学策略，深度挖掘我国科学家首次人工合成结晶牛胰岛素的科学史创设情境，并贯穿教学始终，引导学生逐步展开学习与探究，使学生在掌握知识的同时，体会科学家精神，理解科学的本质、科学研究的思路和方法，提升学生生物学科核心素养。其次，关键环节结合科学探究、模型建构等教学方法，引导学生自主建立氨基酸、二肽的球棍模型，使学生能够将头脑中所学的知识外显化，检验其知识建构的正确与否，同时促进学生模型与建模等科学思维的发展。具体教学流程如图1。
3. 教学目标
基于课程标准的内容要求、学业要求及学业质量标准，围绕发展学生生物学核心素养的基本要求，制定了如下教学目标：
1) 通过资料分析，说出蛋白质在细胞生命活动中承担的功能，从结构与功能相适应的观念出发，阐明蛋白质功能的实现与其空间结构密切相关(生命观念)。
2) 通过回顾“人工合成牛胰岛素”科学史，运用模型与建模、归纳与概括的科学思维方法，通过模型建构等活动，掌握氨基酸的结构特点及其脱水缩合过程(科学思维、科学探究)。
Figure 1. Teaching process of this class
图1. 本节课教学流程
3) 通过回顾“人工合成牛胰岛素”科学史，认同合作在科学研究中的作用，体会科学家精神(社会责任)。
4) 通过联系生活实际，学生能够发现生活中蛋白质的存在及其在人体营养、健康等生命活动中发挥的重要作用，增强健康生活的意识(社会责任)。
4. 教学过程
4.1. 基于科学史创设情境，导入新课
教师展示我国科学家完成人工合成结晶牛胰岛素相关图片，并设置悬念：胰岛素具有怎样的结构？科学家们是如何合成的？引导学生了解科学家的伟大成果并引发思考。
设计意图：通过情境的创设，拉近学生与科学家之间的距离，引发学习兴趣；同时，通过对问题的思考，学习状态由潜伏进入活跃状态。
4.2. 深挖情境，探究蛋白质的结构
对科学史情境深度挖掘，才能更好地把握其与教学目标的衔接，并贯穿教学始终，在讲述科学史的同时厘清蛋白质结构，为学生知识的建构创设有意义的锚点[4]。
4.2.1. 建立蛋白质合成的整体认知
教师引导学生阅读资料1，并思考组成蛋白质的基本单位是什么？合成蛋白质大致有哪些步骤？在明确以上问题后，教师展示胰岛素平面结构简图(图2)，学生读图思考：胰岛素具有怎样的结构特点？
资料1：科学家认识到，要想快速、准确地合成蛋白质，首先要弄清楚蛋白质分解后得到的氨基酸的排列顺序，英国科学家桑格(E. Sanger)在1955年测得了牛胰岛素全部的51个氨基酸的排列顺序。但当时国际上最高的科研水平，也只是合成由19个氨基酸连接成的多肽，以及多肽是如何组成蛋白质的仍然是困扰世界的难题。因此，《自然》杂志刊文指出：“合成胰岛素将是遥远的事情”[5]。
Figure 2. A simple diagram of the planar structure of insulin
图2. 胰岛素平面结构简图
设计意图：学生通过科学史与图片具体呈现的情境，了解胰岛素人工合成的研究基础与研究难点，梳理合成思路，对合成胰岛素的过程有整体的认知，为接下来分步骤合成做铺垫；同时，在此过程中，提升学生的科学思维与读图能力。
4.2.2. 探究氨基酸的结构
教师展示胰岛素A链前4个氨基酸的结构图，引导学生对比归纳出异同点，从而认识氨基酸各部分的结构；接着，教师组织学生总结氨基酸结构通式并展示。在此基础上，教师引导学生通过与甲烷的类比，初步体会氨基酸分子的立体结构，然后布置任务：利用所提供的球棍材料(图3)，小组合作建构甘氨酸立体结构模型。
Figure 3. Materials of the hockey stick
图3. 球棍材料
在模型构建的过程中，教师指导学生由简单到复杂的过程构建氨基酸，先构建各个基团后再进行组装。教师及时检查各小组的构建成果并纠正错误之处，例如遗漏羧基中的双键；氨基中的氢原子与R基中的氢原子连接混淆等问题。
学生完成并展示所构建的模型后，阅读资料2、3，思考问题：使用何种方法生产氨基酸？生产氨基酸需要哪几个步骤？结合教师对科学史的讲述，体会科学家突破此技术的不易之处。
资料2：如何在蛋白质中分离提取所需要的价格昂贵的氨基酸?如丝氨酸(时价150元/克)。陆德培到上海生化所学习氨基酸分离技术，买了一点很便宜的丝厂下脚料带回北京，分离提取丝氨酸。
资料3：生产小组有分离、提取、合成、分析四个小组。人工合成胰岛素需要有高纯度的氨基酸原料。作为专家指导的钮经义和沈昭文，帮助建立离子交换层析法纯化氨基酸和纸层析法鉴定氨基酸纯度[6]。
设计意图：通过开展探究、模型建构活动，使学生对于氨基酸内部微观又抽象的结构，有了更加直观、形象的认识；并且，学生通过观察、分析、思考、总结、建模，逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、模型与建模等思维方法[7]。同时，科学史贯穿其中，让学生了解伟大成果背后的故事，培养学生不怕困难、勇于挑战的精神。
4.2.3. 探究多肽链的合成与连接
教师引导学生联系糖类，思考氨基酸的连接方式；接着，展示二肽的结构，组织学生通过对比，推测出脱水缩合的过程；最后，播放脱水缩合完整过程的动画，验证推测。此过程使学生经历联系旧识、自主推理、做出假设并验证假设的简单的探究过程，促进学生的主动学习过程。
在对氨基酸的连接方式有了初步的认识后，教师布置任务：利用球棍材料，小组合作模拟脱水缩合的过程。教师深入学生小组，注意观察学生对肽键部分的连接是否正确，并组织小组代表展示、讲解模型。
接着，教师讲述肽链合成过程中突破的技术难题，引出二硫键，引导学生了解半胱氨酸结构与二硫键形成的过程。
设计意图：在探究活动中，引导学生进行类比、对比、分析、建模，发展学生推理、建模等科学思维，使学生学会运用科学的思维方法认识事物，探讨解释生命现象与规律，提升学生解决实际问题的能力，培养和发展学生科学思维和科学探究核心能力。
4.2.4. 探究蛋白质的空间结构
学生阅读资料4，并结合对胰岛素平面结构简图与空间结构简图的分析，思考实现蛋白质从平面结构到空间结构还需要经历什么过程？教师结合问题答案讲述折叠问题的相关科学史，并通过展示人工合成结晶牛胰岛素显微镜照片、动物实验获得成功的过程视频与场面照片，引导学生思考功能验证方法，体会人工合成结晶牛胰岛素成功完成的不易之处。
资料4：由于氨基酸之间能够形成氢键等非共价键，因此肽链能盘曲、折叠形成具有一定空间结构的稳定构象的蛋白质。这种空间结构与蛋白质的生物学活性和功能密切相关。
设计意图：通过图片、资料的分析，学生自主找到问题的答案，提升学生读图与分析能力；结合科学史的讲述，有助于学生感受科研的伟大，由此产生对科学家的敬佩之情，强化爱国主义精神。
4.3. 基于情境，梳理蛋白质功能
胰岛素是人体中一种重要的蛋白质，人体中还有各种各样的蛋白质，都承担着不同的功能，共同维系着人体的生命活动。教师布置任务：结合教材插图“蛋白质的功能举例”和视频，小组合作，归纳蛋白质的不同功能和示例，并绘制概念图。学生梳理出蛋白质功能及其实例，绘制出如图4的概念图。
Figure 4. Protein function diversity concept diagram
图4. 蛋白质功能多样性概念图
设计意图：基于人工合成胰岛素的真实情景，引出蛋白质多种多样的功能；用概念图梳理知识，归纳得出蛋白质的功能，训练学生的科学思维；同时，思考结构与功能的关系，有针对性地帮助学生逐步建立结构与功能观。
4.4. 回顾情境，分析蛋白质结构和功能多样性的原因
教师引导学生回顾胰岛素合成的全过程，总结蛋白质的结构层次，并据此思考蛋白质结构与功能多样性的原因。接着，展示人血红蛋白结构图，解释人镰刀型红细胞贫血症产生的原因，使学生充分体会蛋白质结构的改变对其功能的影响。
设计意图：通过回顾与总结，层层分析，找出多样性的原因，提升学生归纳与概括的科学思维；以人镰刀型红细胞贫血症为例，帮助学生形成结构与功能相适应的生命观念。
4.5. 联系生活，巩固拓展
教师从实际生活出发，结合本节所学内容引出问题：为什么鸡蛋、肉加热煮熟后吃更容易被消化？同时呈现蛋白质变性相关资料，鼓励学生课后积极思考。
设计意图：教师将本节所学内容联系生活实际，引导学生从生活中熟悉的问题着手，运用知识解决问题，拓展、巩固知识的同时，帮助学生树立健康的生活意识[8]。
5. 教学反思
本节课突破传统课堂中直接呈现的教学模式，以我国科学家人工合成牛胰岛素这一重大科学成果为主线创设情境，补充材料详解研究历程，从初步探索技术难点到最终宣告实验成功，贴合研究步骤融入知识点，引导学生跟随科学家的脚步展开对蛋白质的学习。在教学中开展以探究为特点的主动学习，学生以小组合作的形式，通过模型建构、汇报展示、交流讨论等环节，积极参与动手和动脑的活动，突破学习重难点，提升学生的科学思维和科学探究能力。但本节教学设计材料史素材丰富、活动较多，需教师精准地把握教学节奏，确保每个材料与活动都发挥最大的育人价值。
基金项目
扬州大学教学改革研究课题“《植物生理学》智慧教学模式的建构和实践研究”(YZUJX2023-D15)。
NOTES
*通讯作者。