基于實(shí)驗(yàn)探究的“生物催化劑
——酶”的教學(xué)設(shè)計(jì)

周偉明

(上海南匯中學(xué) 上海 201399)

1 教材分析

“生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)”是上海生命科學(xué)教材高中階段第4章“生命的物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)換”的第1節(jié)內(nèi)容。主要介紹生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的類型和進(jìn)行這些反應(yīng)所需要的條件。這是接下來(lái)學(xué)習(xí)光合作用和呼吸作用以及轉(zhuǎn)錄翻譯等生物體內(nèi)重要化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)。本節(jié)主要分為三個(gè)部分內(nèi)容： ①合成反應(yīng)和分解反應(yīng)： 主要介紹生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的兩種類型，其中區(qū)別合成反應(yīng)和分解反應(yīng)對(duì)學(xué)生來(lái)講是難點(diǎn)。②生物催化劑——酶： 主要介紹酶的定義、酶的物質(zhì)屬性和酶的作用特點(diǎn)和影響酶活性的因素，其中包含“探究酶的高效性”實(shí)驗(yàn)，可以認(rèn)真設(shè)計(jì)，成為學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法很好的載體。③生命活動(dòng)的直接能源——ATP： 主要介紹ATP的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程，有利于學(xué)生理解生命活動(dòng)所需能量是如何及時(shí)供應(yīng)的。

筆者安排用2課時(shí)完成本節(jié)的教學(xué)，本課時(shí)為第2課： 生物催化劑——酶。這時(shí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所需條件之一——能量由ATP直接提供，接下來(lái)要學(xué)習(xí)生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所需的另一個(gè)條件——催化劑。主要包括酶的定義、酶的物質(zhì)屬性和酶的作用特點(diǎn)和影響酶活性的因素等，其中讓學(xué)生經(jīng)歷“探究酶的高效性”實(shí)驗(yàn)過(guò)程，教師可以努力挖掘素材，巧妙設(shè)計(jì)問(wèn)題，使之成為學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法很好的載體。教材中有選做實(shí)驗(yàn)“探究影響酶活性的因素”，雖由于課時(shí)緊張，可不安排學(xué)生做，但可以創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生學(xué)習(xí)和鞏固實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則,并實(shí)施部分實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)酶的專一性特點(diǎn)，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)和功能相統(tǒng)一的生命觀念。

(2) 親歷“探究酶的高效性”實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提升對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析能力，發(fā)展科學(xué)思維；親歷設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究豬肝中過(guò)氧化氫酶的最適pH值的過(guò)程，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法，提升科學(xué)探究能力。

(3) 通過(guò)本節(jié)課學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會(huì)生物催化劑——酶的高效性，認(rèn)識(shí)到生命體的精密神奇，從而進(jìn)一步鞏固珍惜生命、關(guān)愛(ài)生命的基本態(tài)度。經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程，使學(xué)生感悟嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度；了解酶在降解污染物、保護(hù)環(huán)境方面的作用，培養(yǎng)保護(hù)環(huán)境的社會(huì)責(zé)任。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 導(dǎo)入 教師先讓學(xué)生回憶已學(xué)的化學(xué)知識(shí)： 很多化學(xué)反應(yīng)是需要條件的，有哪些條件？(高溫、高壓、通電、催化劑等。)這時(shí)教師追問(wèn)： 在生物體內(nèi)的反應(yīng)能不能加壓、加溫、通電？所以生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)需要加什么條件？學(xué)生容易想到需要催化劑，引出本節(jié)課的主題： 生物催化劑——酶。

設(shè)計(jì)意圖： 從學(xué)生已有知識(shí)出發(fā)，建立最近發(fā)展區(qū)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)入新課。

3.2 探究酶特性的實(shí)驗(yàn) 提問(wèn)過(guò)渡： 生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)需要酶的催化，酶是什么？給出酶的定義： 酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化能力的生物大分子(其中絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA)。酶有什么特性呢？教師先介紹H2O2能分解成H2O和O2，然后讓學(xué)生完成教材上實(shí)驗(yàn)4.1。實(shí)驗(yàn)步驟1： 在1至6號(hào)試管中各加入5 mL 3%H2O2；步驟2： 再在1至6號(hào)管分別加入1 mL蒸餾水、1 mL新鮮豬肝勻漿、1 mL FeCl3、 1 mL熟豬肝勻漿、1 mL已高溫處理過(guò)的FeCl3、 1 mL新鮮唾液；步驟3： 觀察并比較各試管產(chǎn)生的氣泡量。

實(shí)施實(shí)驗(yàn)后，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，根據(jù)學(xué)生分析表達(dá)情況，教師可以設(shè)計(jì)問(wèn)題引導(dǎo)： ①1號(hào)試管的作用是什么？(作為對(duì)照，請(qǐng)學(xué)生回答沒(méi)有催化劑的情況下，3%H2O2是否分解，分解的速度怎樣？)②1、 2、 3號(hào)試管比較說(shuō)明什么？(酶的催化效率顯著高于FeCl3的催化效率。)③1、 2、 4號(hào)試管比較說(shuō)明什么？(高溫處理過(guò)，恢復(fù)室溫，使酶失去活性。)④3與5號(hào)試管比較說(shuō)明什么？(高溫處理過(guò)，恢復(fù)室溫，F(xiàn)eCl3的催化效率不受影響。)⑤1、 2、 6號(hào)試管比較說(shuō)明什么？(唾液中的唾液淀粉酶不能催化H2O2的分解，說(shuō)明一種酶催化一種底物，酶具有專一性特點(diǎn)。)

通過(guò)以上分析，學(xué)生得出結(jié)論： 酶具有高效性和專一性特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖： 讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)施實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出酶具有高效性特點(diǎn)的過(guò)程，不僅有效建構(gòu)了生物學(xué)概念，而且鞏固了學(xué)生實(shí)驗(yàn)技術(shù)和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析的基本方法，提升了科學(xué)探究能力。也為后期自主實(shí)驗(yàn)順利開(kāi)展提供了技術(shù)保障。

3.3 影響酶活性的因素 設(shè)問(wèn)過(guò)渡： 哪些因素會(huì)影響酶的催化效率呢？(研究發(fā)現(xiàn)影響酶的催化效率的最主要因素是溫度、pH值。)教師提問(wèn)： 設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明： pH值會(huì)影響豬肝中過(guò)氧化氫酶的活性？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之前，先復(fù)習(xí)鞏固實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則： 對(duì)照原則、單一變量原則等。此時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如： 提示在兩個(gè)小燒杯中分別配置(1 mL新鮮豬肝勻漿+1 mL蒸餾水)和(1 mL新鮮豬肝勻漿+1 mL5%NaOH)；取兩支試管分別標(biāo)記，并各加入5 mL 3%H2O2；接下來(lái)，在兩支試管中分別加入1 mL新鮮豬肝勻漿+蒸餾水混合液，以及1 mL新鮮豬肝勻漿+5%NaOH混合液；最后，觀察并比較兩支試管中產(chǎn)生的氣泡量等。當(dāng)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟逐一進(jìn)行把關(guān)后，提示學(xué)生預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并讓學(xué)生解釋原因，而后督促學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。學(xué)生較容易得出pH值會(huì)影響豬肝中過(guò)氧化氫酶的活性。

設(shè)計(jì)意圖： 通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在教師引導(dǎo)下經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅可以避免學(xué)生在設(shè)計(jì)中走彎路，節(jié)省了課堂時(shí)間，而且可以讓學(xué)生鞏固實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則，體會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，進(jìn)而提升科學(xué)思維能力。也為接下來(lái)的獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

3.4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究豬肝中過(guò)氧化氫酶的最適pH值 經(jīng)歷了上述學(xué)習(xí)，可向?qū)W生提供必需的實(shí)驗(yàn)材料，放手讓學(xué)生設(shè)計(jì)和探究豬肝中過(guò)氧化氫酶的最適pH值。提供材料包括： 高濃度的HCl和NaOH溶液、pH試紙、3%的H2O2、新鮮豬肝勻漿、足量蒸餾水、試管、燒杯，等。完成設(shè)計(jì)后讓學(xué)生向大家來(lái)介紹自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案。

設(shè)計(jì)意圖： 讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施的過(guò)程，培養(yǎng)自主思維和探究能力。

4 教學(xué)反思

筆者根據(jù)本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了三個(gè)層層遞進(jìn)的探究實(shí)驗(yàn)，即已設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)、教師指導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，及自行設(shè)計(jì)并實(shí)施的實(shí)驗(yàn)，分別使學(xué)生學(xué)會(huì)“整理科學(xué)事實(shí)的方法”“獲取科學(xué)事實(shí)的方法”和“自主探究科學(xué)事實(shí)的方法”。通過(guò)親歷實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，感悟了生命觀念，培養(yǎng)了科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

從教學(xué)效果看，通過(guò)教師的問(wèn)題引導(dǎo)，總體上學(xué)生能較好完成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，達(dá)到教學(xué)的預(yù)期目標(biāo)。但對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，筆者發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生能較好地復(fù)習(xí)和鞏固實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則，仍有少量學(xué)生相對(duì)跟不上節(jié)奏，這提示教師在今后的教學(xué)過(guò)程中注重這方面能力的培養(yǎng)；另外，本節(jié)課的設(shè)計(jì)雖然留出了較多的學(xué)生思考時(shí)間，但學(xué)生自由表達(dá)的時(shí)間卻不夠多，因此后期教學(xué)中要加強(qiáng)該環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。