高 科 楊凱鈞 朱家華
(臨沂大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 山東臨沂 276000)
《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》在“分子與細(xì)胞”模塊的“教學(xué)提示”中指出,教師要組織好觀察、實(shí)驗(yàn)等探究性學(xué)習(xí)活動(dòng),幫助學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí),領(lǐng)悟科學(xué)探究方法?!氨容^過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,酶比無(wú)機(jī)催化劑具有更強(qiáng)的降低化學(xué)反應(yīng)活化能的作用,體現(xiàn)了酶的“高效性”的特點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有助于幫助學(xué)生理解“細(xì)胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng),這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞的特定區(qū)域”這一重要概念,并促使學(xué)生在探究中學(xué)會(huì)分析使用控制變量法,通過(guò)類(lèi)比分析,進(jìn)而理解“降低活化能”的內(nèi)涵,發(fā)展科學(xué)思維能力。通過(guò)對(duì)比2019年版人民教育出版社、2020年版上??萍冀逃霭嫔绺咧猩飳W(xué)教科書(shū),對(duì)如何開(kāi)展好該實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了思考與討論。
本實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)研究過(guò)氧化氫酶和氯化鐵溶液對(duì)過(guò)氧化氫溶液的分解作用來(lái)發(fā)現(xiàn)酶的高效性。兩個(gè)版本都利用了動(dòng)物肝臟研磨液作為實(shí)驗(yàn)材料,都將其放在“酶”的相關(guān)章節(jié)中。在完成對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)習(xí)之后,學(xué)生實(shí)施該實(shí)驗(yàn),有利于理解酶作為生命活動(dòng)的催化劑。教師結(jié)合酶的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行組織教學(xué),利用實(shí)驗(yàn)探究,加深學(xué)生對(duì)于酶的相關(guān)知識(shí)的理解和學(xué)習(xí),并為學(xué)生之后學(xué)習(xí)呼吸作用等重要的生理活動(dòng)提供了一定的基礎(chǔ)。
在人教版教科書(shū)中,該實(shí)驗(yàn)探究的主要內(nèi)容是酶的高效性與催化作用,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)照研究,能夠得出酶有催化作用且具有高效性的結(jié)論。關(guān)于酶的性質(zhì)與特性并未在該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)涉及,而是在后面的章節(jié)中集中學(xué)習(xí),凸顯了實(shí)驗(yàn)主題,引導(dǎo)學(xué)生專(zhuān)注于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本身,一方面得出“酶比無(wú)機(jī)催化劑具有更強(qiáng)的降低化學(xué)反應(yīng)活化能的作用”這一結(jié)論,另一方面,經(jīng)過(guò)類(lèi)比分析,理解“降低活化能”的內(nèi)涵。
滬科版教科書(shū)將本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與酶的專(zhuān)一性和環(huán)境因素對(duì)于酶的活性的影響進(jìn)行了整合,將相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論都放在本實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證,所以在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)有較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)器材。教學(xué)中,教師和學(xué)生需要厘清問(wèn)題主線和探究目標(biāo),挖掘不同實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)彼此之間的邏輯聯(lián)系。
人教版教科書(shū)中,該實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)材料相對(duì)簡(jiǎn)單,大部分的高中學(xué)校都能夠達(dá)到該實(shí)驗(yàn)條件,有利于學(xué)校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。滬科版的教科書(shū)所采用的實(shí)驗(yàn)器具相對(duì)復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析也相對(duì)復(fù)雜。從表1可以看出,兩本教科書(shū)的用具、材料選擇方面有較大區(qū)別。在實(shí)施過(guò)程中,在適用性方面存在一定的差異,人教版教材的實(shí)驗(yàn)用具要求更符合普通學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室要求;而滬科版的實(shí)驗(yàn)用具雖然復(fù)雜,但有助于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模思想、跨學(xué)科思維整合能力。兩者對(duì)比,各有特色。
表1 人教版與滬科版實(shí)驗(yàn)材料選擇比較
在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)上,兩版教科書(shū)都重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,重視探究實(shí)驗(yàn),注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究。人教版的教科書(shū)在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上更加注重于科學(xué)思維的培養(yǎng),在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上采用了較為直接簡(jiǎn)單的思路和方法。人教版教科書(shū)遵循“提出問(wèn)題—作出假設(shè)—制定計(jì)劃—實(shí)施計(jì)劃—得出結(jié)論—表達(dá)與交流”的探究性實(shí)驗(yàn)邏輯。滬科版的教科書(shū)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上以驗(yàn)證性和探究性相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)思路,在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上,由于內(nèi)容復(fù)雜、操作程序繁瑣,書(shū)中大量的篇幅在詮釋實(shí)驗(yàn)基本程序,留給學(xué)生自主探究的余地相對(duì)較少。總的來(lái)說(shuō),滬科版的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、操作能力和思維能力提出了更高要求。反觀人教版,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單且可操作性更強(qiáng)。所以,從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)的比較分析可看出,人教版的教科書(shū)更適宜用于新授課的學(xué)習(xí),而滬科版的教科書(shū)則擁有更豐富的深化學(xué)習(xí)空間。教師在使用中應(yīng)善于把握兩本教科書(shū)的特點(diǎn),結(jié)合學(xué)情靈活使用。
兩版教科書(shū)中都設(shè)置了4道討論題(表2)。分析發(fā)現(xiàn),人教版教科書(shū)中設(shè)計(jì)的討論題,分別對(duì)標(biāo)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)4個(gè)維度,4個(gè)問(wèn)題分別指向科學(xué)思維、生命觀念、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任4個(gè)方面。而滬科版的教科書(shū)所設(shè)計(jì)的問(wèn)題主要是集中在實(shí)驗(yàn)本身的深度理解,提出的問(wèn)題有深度。從該內(nèi)容看,人教版的教科書(shū)對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)更顯化。
表2 人教版與滬科版實(shí)驗(yàn)討論題比較
通過(guò)耿旭珂等的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)真菌材料——香菇可替代動(dòng)物肝臟進(jìn)行“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn),香菇方便易得,便于保存,且含有大量過(guò)氧化氫酶,代替動(dòng)物肝臟進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)可以避免肝臟易腐敗等諸多弊端。建議本實(shí)驗(yàn)可以采用更為優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)材料——香菇,因其有大量的過(guò)氧化氫酶,有著動(dòng)物肝臟所不具有的優(yōu)勢(shì)。香菇的保存時(shí)間更長(zhǎng),也可以避免動(dòng)物肝臟容易腐爛、不易保存的問(wèn)題。另外,香菇可以降低學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性,能避免反應(yīng)過(guò)快而產(chǎn)生的大量泡沫飛濺,傷到同學(xué)。
對(duì)比教科書(shū)中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,新鮮的肝臟研磨液催化分解過(guò)氧化氫的速度極其迅速,如果滴加的量稍多,瞬時(shí)產(chǎn)生的大量泡沫有時(shí)會(huì)飛濺到實(shí)驗(yàn)者臉上,傷到實(shí)驗(yàn)者。且該實(shí)驗(yàn)所采用的儀器是試管,由于試管是敞口的,不利于對(duì)氣體進(jìn)行收集。鑒于此,對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖1所示。在分液漏斗中加入過(guò)氧化氫溶液,錐形瓶中放入氯化鐵溶液或者香菇提取液形成對(duì)照,反應(yīng)充分后打開(kāi)橡膠管上的夾子,觀察衛(wèi)生香的燃燒情況。用衛(wèi)生香的燃燒程度判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果,用時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)反映產(chǎn)生的氧氣量的多少,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更易于觀察。這樣有助于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加具有說(shuō)服力,學(xué)生處理起來(lái)更為簡(jiǎn)便。利用該實(shí)驗(yàn)裝置能夠提高實(shí)驗(yàn)成功率,且安全程度更高。
圖1 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)材料的選擇應(yīng)體現(xiàn)取材便捷、無(wú)毒環(huán)保、現(xiàn)象明顯等特點(diǎn)。而在組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中,本實(shí)驗(yàn)可以?xún)?yōu)先選擇香菇作為更安全、便捷的實(shí)驗(yàn)材料,并提前進(jìn)行一定的預(yù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確保實(shí)驗(yàn)的可行性。
探究性是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)屬性。學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)的過(guò)程時(shí),就是經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—作出假設(shè)—制定計(jì)劃—實(shí)施計(jì)劃—得出結(jié)論—表達(dá)交流”的過(guò)程,利用科學(xué)方法收集證據(jù),基于知識(shí)基礎(chǔ)去推理、判斷結(jié)論的合理性,不僅觀察得到了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,還培養(yǎng)了思考和解決問(wèn)題的能力。因此,生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置應(yīng)當(dāng)盡量回歸其探究本質(zhì)。教學(xué)時(shí),教師應(yīng)盡可能在探究性實(shí)驗(yàn)的一般過(guò)程中設(shè)置問(wèn)題和思考,達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)作為探究性實(shí)驗(yàn),是有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐,是核心素養(yǎng)中科學(xué)探究部分的落實(shí)。
兩個(gè)版本教科書(shū)在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)既有各自的特點(diǎn),也有共性之處:對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)絕不僅限于實(shí)驗(yàn)探究本身,還關(guān)注學(xué)生在科學(xué)思維方面的發(fā)展。人教版教科書(shū)設(shè)計(jì)了豐富的問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究設(shè)計(jì)、類(lèi)比分析,從而對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出結(jié)論;滬科版教科書(shū)則關(guān)注學(xué)生的圖表分析能力、數(shù)學(xué)建模能力等多種跨學(xué)科思維的應(yīng)用。兩個(gè)版本的教科書(shū)在編寫(xiě)中都指向?qū)W(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),對(duì)今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展帶來(lái)了啟示與思考。