挖掘科學(xué)本質(zhì)的探究實驗教學(xué)實踐
——以“影響酶活性的條件”的實驗教學(xué)為例

福建 黃玉賢 安徽 吳志強

美國教育家施密特和羅克卡特認為“科學(xué)除了事實、原理、定律、理論和假說等內(nèi)容外，還包括有觀察、實驗、深思、想象、預(yù)言以及獲得知識的其他手段等特殊的態(tài)度和感覺”。中學(xué)生物科學(xué)教育不僅要讓學(xué)生獲得系統(tǒng)的科學(xué)知識，更主要的是讓學(xué)生形成關(guān)于自然的基本觀點，獲得探索自然規(guī)律的方法，同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)精神，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。本文以“影響酶活性的條件”的探究實驗教學(xué)為例，嘗試對科學(xué)本質(zhì)的探究實驗教學(xué)進行摸索，以期為廣大讀者提供教學(xué)參考。

一、在提出探究問題中挖掘科學(xué)本質(zhì)

科學(xué)探究的本質(zhì)之一就是崇尚并形成科學(xué)思維的習(xí)慣，這種習(xí)慣能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學(xué)問題。因此，引導(dǎo)學(xué)生對特定的生物學(xué)現(xiàn)象進行觀察并提出有價值的問題就顯得至關(guān)重要。

在學(xué)習(xí)“影響酶活性的條件”實驗時，為了更好地幫助學(xué)生提出有價值的探究問題，教師先列舉出了一些與“影響酶活性的條件”有關(guān)的生活現(xiàn)象和生物學(xué)知識：在使用加酶洗衣粉洗衣服時，為什么用溫水浸泡后效果更佳？進入冬眠的動物體內(nèi)的細胞代謝為什么極為緩慢？人們在發(fā)高燒時，為什么常常不思飲食？學(xué)生在對這些現(xiàn)象進行分析后，可能會提出一些值得研究的問題：①溫度是如何影響酶的作用效果的?②溶液的酸堿度是否也會影響酶的作用效果？③在學(xué)習(xí)“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗時，實驗開始之前，教師將肝臟研磨液放在冰箱里，為什么不會影響實驗效果？

在追尋科學(xué)本質(zhì)的道路上，學(xué)生可能會提出很多探究問題。教師要結(jié)合實驗室的現(xiàn)有條件和學(xué)生現(xiàn)有的知識基礎(chǔ)等因素，對學(xué)生提出的問題進行論證，從而確定開展探究活動的課題?；诮^大多數(shù)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)、酶具有高效性和專一性的特性以及對“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗的掌握和一些生活經(jīng)驗，學(xué)生能夠較順利地確定后續(xù)開展的探究實驗，最后決定研究的課題是溫度和pH 對酶活性的影響。

實驗是人們開展的具有創(chuàng)造性的活動。在觀察中提出問題是自然科學(xué)的基石，也是自然科學(xué)區(qū)別于其他學(xué)科的一個重要特征。所以，教師必須要有意識地培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，并力圖引導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)計實驗找出事物之間的關(guān)系，尋求問題的答案。

二、在完善探究方案中挖掘科學(xué)本質(zhì)

通過實驗來研究事物，特別是通過精確的對照實驗來探究問題，是自然科學(xué)的突出特征，這也常被看作是科學(xué)探究的又一本質(zhì)。因此，在科學(xué)探究不同的問題時，必須設(shè)計精確的對照實驗來尋找問題的答案。

在“影響酶活性的條件”實驗設(shè)計階段，教師可以先引導(dǎo)兩組學(xué)生根據(jù)教材給出的材料用具，分別就“探究溫度對酶活性的影響”和“探究pH 對酶活性的影響”初步設(shè)計出探究方案。學(xué)生設(shè)計的部分探究方案如下。

方案1：選取肝臟研磨液、過氧化氫溶液，檢驗二者在沸水、50℃溫水和冰水這3 種不同溫度的溶液環(huán)境下產(chǎn)生氣泡的情況；

方案2：選取淀粉酶、淀粉溶液，并用碘液檢驗在沸水、50℃溫水和冰水這3 種不同溫度的溶液環(huán)境下淀粉酶對淀粉的分解情況；

方案3：選取淀粉酶、淀粉溶液，并用斐林試劑檢驗淀粉溶液在沸水、50℃溫水和冰水這3 種不同溫度的溶液環(huán)境下，還原糖的生成情況；

方案4：選取肝臟研磨液、過氧化氫溶液，分別檢驗二者在加入HCl、蒸餾水和NaOH這3 種不同酸堿度的溶液后產(chǎn)生氣泡的情況；

方案5：選取淀粉酶、淀粉溶液，并用碘液檢驗在加入HCl、蒸餾水和NaOH這3 種不同酸堿度的溶液后淀粉酶對淀粉的分解情況；

方案6：選取淀粉酶、淀粉溶液，并用斐林試劑分別檢驗在加入HCl、蒸餾水和NaOH 這3 種不同酸堿度的溶液后淀粉溶液中還原糖的生成情況。

其中“探究溫度對酶活性的影響”實驗方案是方案1、方案2、方案3。探究“pH 對酶活性的影響”方案是方案4、方案5、方案6。教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生圍繞這些方案進行討論并完善，部分學(xué)生在討論過程中發(fā)現(xiàn)教材在“材料用具”的最后有這樣一段內(nèi)容“建議用淀粉酶探究溫度對酶活性的影響，用過氧化氫酶探究pH 對酶活性的影響”。于是學(xué)生們圍繞方案1、方案5、方案6 為什么不能實施這一焦點展開討論。其中某小組認為，材料中提供了兩種酶，一種用于探究溫度對酶活性的影響，另一種用于探究pH 對酶活性的影響，所以方案5 和方案6 是可行的；另一組認為，在“比較過氧化氫酶在不同條件下的分解”實驗中已知“加熱也會促使過氧化氫發(fā)生分解”，所以方案1 的設(shè)計缺乏說服力。

本次實驗的推理過程比較簡單，重點在于養(yǎng)成實驗探究意識，為后續(xù)探究性實驗的開展奠定良好的基礎(chǔ)?？茖W(xué)探究實驗是通過人類的思維、想象創(chuàng)造出來的，科學(xué)探究過程的本質(zhì)是創(chuàng)造性的過程。綜上，學(xué)生在實驗方案設(shè)計的過程中，嚴(yán)謹?shù)耐评砗涂偨Y(jié)都是必不可少的，如何從所得到的數(shù)據(jù)推論出結(jié)果，是每位學(xué)生必須掌握的思維方式，也是挖掘科學(xué)本質(zhì)的必經(jīng)途徑。

三、在交流反思中挖掘科學(xué)本質(zhì)

教育的根本意義在于對人的全面理解和全面培養(yǎng)。善于交流與反思是教師良好心理素質(zhì)的體現(xiàn)，更能幫助學(xué)生深刻地理解科學(xué)探究的本質(zhì)。

在“影響酶活性的條件”實驗結(jié)束后，圍繞實驗結(jié)果展開的討論、總結(jié)與評價不僅可以激發(fā)學(xué)生的積極性，且能讓學(xué)生明白探究性實驗的成功靠的不僅僅是結(jié)果的正確與否，還要考慮實驗是否嚴(yán)謹規(guī)范、提出的問題是否屬于真問題、假設(shè)是否合理、實驗設(shè)計是否規(guī)范、推論過程是否符合常理、得出的結(jié)論是否與結(jié)果相符等。這些才是科學(xué)探究性實驗的本質(zhì)要求，因此，教師與學(xué)生之間的討論與交流必不可少。

比如“為什么方案3 學(xué)生放在冰水中水浴的試管，滴加斐林試劑后卻出現(xiàn)了磚紅色沉淀？”這個問題成為學(xué)生在交流討論中的焦點。通過激烈的討論，最終學(xué)生發(fā)現(xiàn)不能用斐林試劑來檢測結(jié)果，若用斐林試劑就要進行水浴加熱，可是作為“探究溫度對酶活性影響”實驗，必須要控制好實驗的自變量——溫度，否則會干擾實驗的結(jié)果。

科學(xué)探究實驗本就是一個開放性的活動，教師要鼓勵學(xué)生盡量多地提出問題、互相交流，而不需要對每一個問題進行評判。教師應(yīng)鼓勵學(xué)生大膽提出觀點，鼓勵學(xué)生將自己的觀點與他人分享、討論，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性，促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)和建構(gòu)知識。這樣既可以開闊學(xué)生的思路，又可以使學(xué)生之間取長補短、互相幫助、共同進步，還可以促使學(xué)生認識和領(lǐng)悟科學(xué)探究的本質(zhì)，即在思考和爭議中不斷發(fā)展。

四、挖掘科學(xué)本質(zhì)實驗教學(xué)的思考

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。生物課程中的驗證性實驗，一般只要求學(xué)生懂得做實驗的目的、掌握實驗的原理、理解實驗現(xiàn)象說明了什么問題，對于實驗的設(shè)計、儀器藥品的選用、實驗步驟的確定、實驗?zāi)芊窀倪M等問題都沒有要求學(xué)生進一步思考與探索，這就導(dǎo)致學(xué)生在做實驗的時候，不是從對問題的思考、研究、探索的角度出發(fā)，而是努力使實驗步驟和結(jié)果與教材描述的相一致。本文提及的實驗都是學(xué)生們通過自主探究、合作交流完成的。學(xué)生們在實驗中積極性非常高，而且學(xué)生們在得到每一個新發(fā)現(xiàn)時都充滿了成功的喜悅。所以，在探究性實驗中，學(xué)生們通過思考發(fā)現(xiàn)問題并設(shè)計實驗解決問題，不僅訓(xùn)練了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，同時還轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，而且對弘揚人的主體性、能動性和獨立性有十分重要的意義。

從課程目標(biāo)的設(shè)置來看，探究可以讓學(xué)生們自主地達成知識目標(biāo)，在探究的過程中學(xué)得方法、發(fā)展能力，在探究中培養(yǎng)正確的情感、態(tài)度與價值觀，形成良好的學(xué)科核心素養(yǎng)。本實驗教學(xué)不僅讓學(xué)生獲得了影響酶活性因素的相關(guān)知識，在學(xué)生全程體驗科學(xué)探究的一般過程（提出問題、作出假設(shè)、制訂計劃、實施計劃、得出結(jié)論、表達交流）的基礎(chǔ)上，還學(xué)習(xí)了科學(xué)探究的基本方法，培養(yǎng)了實事求是的科學(xué)態(tài)度，提高了進行科學(xué)探究的邏輯思維能力。

交流探究活動的過程和結(jié)果，在整個探究活動中占有極其重要的地位，對培養(yǎng)學(xué)生的反思、質(zhì)疑能力，提高學(xué)生的思維深刻性十分重要，同時也是探究活動是否有效的重要標(biāo)志之一。本探究中，教師引導(dǎo)學(xué)生對實驗方案和實驗結(jié)論展開充分的交流，提高了探究的有效性。通過交流提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識、合作精神、創(chuàng)新能力和科學(xué)精神，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

生物作為一門科學(xué)學(xué)科，在實施教學(xué)的過程中，應(yīng)該充分體現(xiàn)出科學(xué)的本質(zhì)，在設(shè)計實驗時，教師應(yīng)當(dāng)更多得按照科學(xué)探究的一般過程去組織學(xué)生開展實驗，真正做到從生物探究實驗的進行中探尋科學(xué)本質(zhì)。