全班合作设计一个蛋白质

摘要

以高中生物学内容“基因指导蛋白质的合成”为载体，利用模拟游戏开展教学活动，并引入“SWISS-MODEL”蛋白质自动建模平台，增加游戏趣味性，帮助学生掌握生物学知识，建构核心概念，培养探究实践和解决问题能力。

Graphical abstract

关键词

模拟游戏 / SWISS-MODEL / 蛋白质 / 信息技术 / 高中生物学

著名教育学家陈鹤琴说过“游戏是儿童的生命”，将游戏运用于教学中促进学生主动学习，常常可以达到事半功倍的效果^［1］。模拟游戏结合了游戏的快乐特性和模拟的形象化、生活化特点，能够将复杂抽象的知识概念转化为直观生动的可视化过程^［2］。相比传统“教师讲、学生听”的授课方式，模拟游戏可以提升课堂参与度，有效激活单调沉闷的课堂氛围。高中生物学致力于从细胞与分子层面解释生命现象及其本质，学生往往难以理解细胞内部的生理生化过程^［3］。结合信息技术资源，将模拟游戏应用于高中生物学教学，不仅能够满足学生“亲历”细胞中难以直接观察的微观过程，还能让学生在游戏过程中感受生命科学的本质和内涵，达到“寓教于乐”的目的。

1 教材分析

“基因指导蛋白质的合成”是人教版高中生物学必修2《遗传与进化》第4章第1节的内容。课标中的内容要求为：概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成，要求学生能认识到生命活动不仅需要物质和能量，也需要信息^［4］。教材中本节内容包含“遗传信息的转录”“遗传信息的翻译”和“中心法则”三大板块，主要从分子遗传学的层面阐述基因的表达过程，涉及“基因”“转录”“翻译”“遗传密码”“中心法则”等遗传学概念，重点是遗传信息的转录和翻译过程，难点是遗传信息的翻译过程。

2 设计思路

基于重要知识点，针对遗传信息从DNA传递至蛋白质这一细微、动态、抽象复杂的过程设计了3个游戏环节（图1）。在讲授“基因指导蛋白质的合成”理论知识后开展游戏，让学生在动手动脑的学习过程中内化知识、建构概念、筑牢生物学知识框架。活动首先采用“中心法则”模拟游戏，自制陀螺获得DNA链序列；其次在表格中依次写出对应的mRNA和氨基酸序列，完成转录和翻译过程；然后，基于信息技术平台“SWISS-MODEL”蛋白质自动建模网站，将获得的氨基酸序列转换为蛋白质的空间结构。整个活动过程以学生为主体，通过小组合作和探究学习将细胞内微观的生命过程直观化、具体化，更好地让学生体验生命信息从DNA到蛋白质的传递。

3 目标要求

（1） 通过模拟游戏掌握遗传信息的表达和传递是一个动态的、相互协调配合的过程，认同基因的表达是遗传信息在DNA、RNA及蛋白质中的传递过程，形成生命是物质、能量和信息的统一体的生命观念。

（2） 通过在游戏中再现转录和翻译过程，说出遗传信息、密码子、反密码子的关系，概述遗传信息的传递规律，发展获取信息、归纳与概括的科学思维。

（3） 通过动手实践和分组合作，提升合作意识，培养观察与提问的科学探究能力和自主学习能力。

（4） 通过课后任务引入现实中各类酶产品，让学生体会蛋白质在生产生活中的重要作用，培养社会责任感。

（5） 通过信息技术的运用，初步掌握利用SWISS-MODEL网站模拟蛋白质合成的具体操作，加强生物学学科与科学技术的联系，提升学生的科研素养。

4 “全班合作设计一个蛋白质”模拟游戏设计

4.1 “中心法则”模拟游戏

（1） 游戏准备。

全班学生每2人1组，共25个小组，每组1份活动材料。材料包括1个正八边形陀螺，1份游戏表格，1份氨基酸英文字母缩写对应表。

（2） 活动流程如表1所示。

4.2 “建构蛋白质”模拟游戏

（1） 技术支持。

SWISS-MODEL网站（https：//swissmodel.expasy.org/）是瑞士生物信息学研究所建立的分子建模服务系统，能依据与蛋白质序列相似的已知蛋白，建立未知结构蛋白的分子模型。即从目标蛋白质的氨基酸序列出发，使用同源建模法预测该蛋白质的三级结构，建立蛋白质的模拟3D模型；待网站运行结束后会得到目标序列的蛋白质三维结构预测结果，将鼠标随机移动至肽链某处，可以看到位于该处的氨基酸的英文名称缩写和位置序号，点击页面相应按钮还可以对该3D模型进行旋转、保存等操作。

（2） 游戏准备。

按照FASTA格式要求准备序列，使用单一字母表示每个氨基酸。每个小组根据氨基酸英文缩写对应表，将活动一所得到的8个氨基酸转化为对应的英文字母序列，依次将结果展示在黑板上，最后全班得到长度为200的氨基酸英文序列，并将序列的第一个字母设为M即起始密码子；每个小组配备1台联网计算机。

（3） 活动流程如表2所示。

5 活动反思

在活动开始前，教师可以带领学生复习DNA转录、mRNA翻译及中心法则等重要概念，以便学生在实际操作过程中实现理论与实践的结合，确保活动质量。由于最终得到的氨基酸序列完全随机，可能出现SWISS-MODEL建构的蛋白质效果不佳，或因序列无法有效识别而建构失败等现象。为此，教师可提前准备已知蛋白质序列（如教材中出现过的血红蛋白），通过SWISS-MODEL查询其三维结构用于现场演示。

参考文献

[1] 邓江萍.游戏教学在高中生物课堂教学中的应用［J］.课程教材教学研究（教育研究），2014（02）：39-40.

[2] 林亚.模拟游戏激活高中生物课堂［J］.中学生物学，2016，32（08）：53-54.

[3] 高秀峰.浅谈如何在高中生物教学中实施游戏教学法［J］.中学生物教学，2016（22）：28.

[4] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.