基于假說演繹法的 “降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”（第1課時） 教學(xué)設(shè)計

滕遠(yuǎn)王

摘要 以“新鮮的豬肝與過氧化氫的反應(yīng)實驗”為情景主線，引用假說演繹法，依據(jù)實驗現(xiàn)象，假設(shè)其細(xì)胞內(nèi)有催化物質(zhì)，運用對照實驗探究其真?zhèn)?，分析結(jié)果得出結(jié)論，讓學(xué)生掌握嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究方法。利用小組討論、協(xié)同實驗、跨越活動、游戲通關(guān)和家庭小實驗等活動，讓學(xué)生理解酶的催化作用，認(rèn)識酶在細(xì)胞代謝中的重要意義，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞? 酶的作用假說演繹法對照實驗教學(xué)設(shè)計高中生物學(xué)

中圖分類號 G633.91???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號：1003-7586（2023）03-0039-04

1 教材分析及設(shè)計思路

“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”選自人教版高中生物學(xué)教材《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第一節(jié)，內(nèi)容包含酶的作用、本質(zhì)和特性等。該節(jié)內(nèi)容量較大，實驗比較多，對學(xué)生來講難度大，因此分為3個課時進(jìn)行講解，其中第1課時是基于實驗探究酶的作用。學(xué)生在初中已學(xué)過消化與吸收等，后續(xù)將深入學(xué)習(xí)細(xì)胞中呼吸作用和光合作用等重要代謝反應(yīng)，這些內(nèi)容均離不開酶的作用。同時，本節(jié)課的重難點是控制實驗變量的科學(xué)觀念的建立，也是滲透假說演繹法的最佳實施位點，為后續(xù)學(xué)習(xí)孟德爾的豌豆雜交實驗和摩爾根的果蠅雜交實驗奠定基礎(chǔ)?；诖耍卷椖康慕虒W(xué)引用假說演繹法作為整節(jié)課的設(shè)計主線（圖1），設(shè)置問題串驅(qū)動學(xué)生從現(xiàn)象到結(jié)論進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體驗完整的實驗探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）引用假說演繹法，通過實驗現(xiàn)象到實驗探究其真?zhèn)味贸鼋Y(jié)論的過程，體驗嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究流程，發(fā)展科學(xué)思維和探究能力。

（2）通過提出問題、演繹推理、分組實驗和跨越活動等，發(fā)展高階思維目標(biāo)，提高合作互助的能力，增強(qiáng)社會責(zé)任感。

（3）通過角色轉(zhuǎn)換、知識通關(guān)游戲和家庭小實驗等，學(xué)生在實踐中習(xí)得知識，提升解決實際問題的能力。

3 教學(xué)過程

3.1角色轉(zhuǎn)換，實驗引入

教師展示皮膚擦傷的照片，引入日常生活中用醫(yī)用過氧化氫消毒液清洗傷口的情境。教師提問：過氧化氫消毒液涂在皮膚傷口上會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？接著，教師拿出刀片和過氧化氫消毒液，提出運用實驗的方式進(jìn)行觀察，并提問：能在人體上進(jìn)行這個實驗嗎？根據(jù)學(xué)生的回答，教師強(qiáng)調(diào)選用實驗材料要注意安全倫理問題并提議用新鮮的豬肝作為實驗材料進(jìn)行嘗試。教師現(xiàn)場實驗并在展示臺上投屏，教師先用注射器取過氧化氫消毒液直接滴在新鮮的豬肝表面，然后用刀片在豬肝表面劃幾刀用以表示嚴(yán)重受傷的情境，并同樣操作將過氧化氫消毒液滴到受傷的豬肝表面。實驗結(jié)束后，教師請學(xué)生用語言描述實驗現(xiàn)象。

設(shè)計意圖：激起學(xué)生探究欲的情景引入是課堂成功的關(guān)鍵之一。通過豬肝與過氧化氫反應(yīng)的實驗，讓學(xué)生現(xiàn)場觀察到劇烈現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，為后續(xù)的主動學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

3.2假說演繹，實驗探究

（1）實驗現(xiàn)象分析

根據(jù)劃傷的豬肝表面有大量的白色泡沫產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象。教師提出問題串：①白沫產(chǎn)生的原因是什么？可能是什么氣體？②大量的氣泡說明反應(yīng)快，常溫下過氧化氫會發(fā)生反應(yīng)嗎？醫(yī)用的過氧化氫消毒液的說明書有效期是24個月，說明了什么？③根據(jù)該實驗現(xiàn)象提出一個有實踐價值的問題。

設(shè)計意圖：觀察實驗現(xiàn)象是實驗探究重要的一環(huán)。通過實驗現(xiàn)象，教師引導(dǎo)學(xué)生對大量和氣泡的兩方面指標(biāo)進(jìn)行分析，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生提出有實踐價值的問題，發(fā)展學(xué)生的觀察和思考能力。

（2）提出問題并做出假設(shè)

學(xué)生提出相關(guān)問題①豬肝受傷程度與過氧化氫的反應(yīng)速率有關(guān)嗎？②肝臟細(xì)胞能夠促進(jìn)過氧化氫反應(yīng)嗎？③肝臟細(xì)胞內(nèi)有加快過氧化氫反應(yīng)的物質(zhì)嗎？根據(jù)問題，學(xué)生做出假設(shè)：豬肝細(xì)胞內(nèi)有加快過氧化氫反應(yīng)的物質(zhì)。有的學(xué)生則提出：豬肝細(xì)胞內(nèi)沒有加快過氧化氫反應(yīng)的物質(zhì)。

設(shè)計意圖：愛因斯坦曾說過“提出一個問題往往比解決一個問題更重要”。在教學(xué)過程中，“留白”能夠給予學(xué)生較充足的時間和機(jī)會提出個人觀點。教師引導(dǎo)學(xué)生在已有的知識或經(jīng)驗背景下對提出的問題作出假設(shè)，營造一種學(xué)生有思考敢發(fā)言的“生態(tài)”課堂，能夠發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力、多維度看待問題的能力和表達(dá)能力。

（3）演繹推理

教師引導(dǎo)設(shè)問：在常溫下過氧化氫反應(yīng)緩慢，還有其它條件可以加快過氧化氫的反應(yīng)嗎？學(xué)生提出加熱和無機(jī)催化劑如二氧化錳。教師繼續(xù)提問：如果將豬肝細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)與過氧化氫反應(yīng)比加熱、無機(jī)催化劑的現(xiàn)象更劇烈，能夠正是哪種假設(shè)？

設(shè)計意圖：演繹推理是在未知實驗驗證的情況下進(jìn)行的一種正反思維推測活動，能夠培養(yǎng)學(xué)生的批判思維能力。本環(huán)節(jié)教師幫助學(xué)生回憶初中已有的知識，設(shè)置加熱組和無機(jī)催化劑組，引導(dǎo)學(xué)生推理出過氧化氫酶的高效性。

（4）實驗驗證

教師提問：①如何使豬肝細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)釋放出來？②單獨的實驗?zāi)苷f明該物質(zhì)加快了過氧化氫的反應(yīng)嗎？③探究肝臟研磨液、加熱、無機(jī)催化劑有催化作用需要什么實驗材料呢？

根據(jù)學(xué)生的回答，教師提供體積分?jǐn)?shù)為3%的 H2O2溶液、90℃的熱水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的 FeCl3溶液、新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的肝臟研磨液、注射器、氣球、試管、滴管、衛(wèi)生香、打火機(jī)等實驗材料，并提示學(xué)生：①注射器相當(dāng)于滴管和量筒，取過氧化氫溶液時快捷準(zhǔn)確；②氣球可以檢測產(chǎn)生氣體量的多少；③帶火星的衛(wèi)生香可以檢測產(chǎn)生氣體的種類。

教師利用問題串：①每組實驗至少需要用幾支試管？②每支試管準(zhǔn)備用多少毫升的過氧化氫溶液？③肝臟研磨液和 FeCl3溶液準(zhǔn)備滴幾滴？劑量相同嗎？④實驗過程中是否需要注意試劑添加順序？⑤實驗過程中準(zhǔn)備觀察什么？引導(dǎo)學(xué)生做出自己的實驗設(shè)計，小組合作展開實驗探究。教師觀察學(xué)生實驗操作過程并及時指導(dǎo)，拍攝學(xué)生操作不規(guī)范的視頻或照片。

實驗結(jié)束后，教師展示學(xué)生操作不規(guī)范和實驗結(jié)果不理想的視頻或照片，如4號試管反應(yīng)物從瓶口溢出、4號試管無法復(fù)燃以及催化劑滴加到試管壁等，讓學(xué)生找一找問題與原因。接著，教師讓學(xué)生代表展示實驗結(jié)果記錄表，再請其他學(xué)生一起補(bǔ)充修正。最后，播放實驗效果好的視頻。

教師展示完善后的現(xiàn)象記錄表（表1），并提問：為什么加過氧化氫溶液的溶度和劑量要相同呢？根據(jù)學(xué)生回答，教師用數(shù)學(xué)方程式Y(jié)=X+a進(jìn)行類比，明確實驗的自變量、因變量、無關(guān)變量的定義并引導(dǎo)學(xué)生找出本實驗中的自變量、因變量與無關(guān)變量。接著，教師提問：若將第1、2組的過氧化氫溶液劑量均改成3 mL，第1、4組還能對照嗎？為什么？引導(dǎo)學(xué)生明確對照實驗需要滿足單一變量原則。接著，教師請學(xué)生分析第1、2組，第1、3組，第1、4組，第3、4組實驗結(jié)果對照分別說明什么？學(xué)生分析后，教師展示兩組數(shù)據(jù)：1滴 FeCl3溶液中 Fe3+數(shù)目是1滴肝臟研磨液中過氧化氫酶數(shù)目的25萬倍，酶的催化效率是無機(jī)催化劑的107-1013倍。并提出問題：從酶催化的分子機(jī)理角度分析為什么酶具有更高的催化效率呢？

設(shè)計意圖：設(shè)置小組方案設(shè)計、實驗操作和結(jié)果分析等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的合作精神。用注射器替代滴管和量筒取樣效果準(zhǔn)確快捷，用氣球可觀察到氣體產(chǎn)生的速率，實驗結(jié)果分析能及時反饋學(xué)生的效果。教師用熟悉的數(shù)學(xué)方程變量思想類比實驗控制變量，再展示數(shù)據(jù)從定性到定量，使學(xué)生理解酶催化的高效性，養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣。

3.3跨越活動，探究本質(zhì)

教師設(shè)置跨越游戲，用紙質(zhì)的擋板代表化學(xué)反應(yīng)需要的活化能。第一次，讓一位同學(xué)直接跨越，該同學(xué)不容易跳過去；第二次，請另外同學(xué)抱起該同學(xué)后，該同學(xué)可以跨越過擋板；第三次，將擋板降低一定的高度后，該同學(xué)可以單獨跨越過去；第四次，將擋板降低到很低，該同學(xué)輕松地跨越過去。游戲完成后，教師解釋跨越過去就表示發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)（圖2）。

接著，教師展示20℃時測定無催化劑、無機(jī)催化劑和過氧化氫酶條件下，過氧化氫分解的活化能分別是75 KJ/mol、54 KJ/mol、29 KJ/mol，并指出正是由于酶的催化作用，細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)才能在溫和條件下快速有序地進(jìn)行。最后，教師請學(xué)生找出細(xì)胞代謝的概念。

設(shè)計意圖：設(shè)置跨越游戲讓學(xué)生在活動中體驗化學(xué)反應(yīng)的原理，理解酶的催化機(jī)理，讓學(xué)生形成“正是由于酶的催化作用，細(xì)胞代謝才能在溫和條件下快速有序的進(jìn)行”的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)觀念。

3.4闖關(guān)游戲，鞏固新知

基于希沃白板平臺中的“課堂活動”模板設(shè)計了知識闖關(guān)游戲，設(shè)置8道判斷題：①酶能為反應(yīng)物提供能量（×）②酶能降低化學(xué)反應(yīng)的活化能（√）③在實驗中人為改變的變量叫因變量（×）④無關(guān)變量表示對實驗結(jié)果無影響的變量（×）⑤活化能是指反應(yīng)物分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S狀態(tài)所需要的能量（√）⑥空白對照組的設(shè)置排除了自變量的影響（×）⑦酶在生物體外沒有催化活性（×）⑧在人體細(xì)胞內(nèi)可以通過加熱來提高細(xì)胞代謝的速率（×）。教師將全班分為兩組，各派一位選手，全組參與判斷，結(jié)束后一起分析錯誤原因并及時修正。

設(shè)計意圖：通過知識闖關(guān)游戲，教師在輕松有趣的環(huán)境中幫助學(xué)生夯實基礎(chǔ)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣。教師能及時得到現(xiàn)場反饋并進(jìn)行修正，達(dá)到教與學(xué)互動的效果。

3.5家庭實驗，實踐應(yīng)用

教師展示家庭小實驗任務(wù)單：①探究加酶洗衣粉和普通洗衣粉除污效果。②探究加酶洗衣粉在什么溫度條件下除污的效果最佳。教師提示：①加酶洗衣粉除污效果與污漬的種類有關(guān)；②注意設(shè)置等溫度梯度。請學(xué)生做一做并提交實驗小報告。

設(shè)計意圖：教師通過課外拓展實驗，讓學(xué)生鞏固科學(xué)實驗方法，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課的教學(xué)中，教師曾嘗試用教材中“問題探討”的斯帕蘭札尼實驗、小番茄與過氧化氫反應(yīng)實驗、雞蛋花和多酶片實驗等導(dǎo)入，但均不能形成整體的探究。而現(xiàn)場用新鮮的肝臟與過氧化氫反應(yīng)實驗可以創(chuàng)設(shè)一個真實的實驗情景，激發(fā)學(xué)生的探究欲，成為整節(jié)課的教學(xué)主線情景，讓學(xué)生在真實情景中探究科學(xué)的本源，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力。教師通過小組討論、協(xié)同實驗、跨越活動、知識通關(guān)游戲和家庭拓展實驗等一系列活動，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力。

針對“角色轉(zhuǎn)換”教學(xué)環(huán)節(jié)中，有學(xué)生提出的用云南白藥清洗傷口的問題，教師及時補(bǔ)充對應(yīng)的生活常識。在“提出問題”環(huán)節(jié)中，教師耐心的聽取學(xué)生的問題，及時引導(dǎo)學(xué)生深度思考，如引導(dǎo)學(xué)生思考受傷比沒受傷的豬肝要產(chǎn)生更多氣泡的原因。在“設(shè)計實驗方案”環(huán)節(jié)中，針對“每組實驗至少需要準(zhǔn)備幾支試管”的問題，面對學(xué)生回答“需要增設(shè)加熱與無機(jī)催化劑組以及無機(jī)催化劑與加酶組的2支試管”時，教師不作正面回答，而在明確單一變量原則后再請該學(xué)生回答為什么不需要用后2支試管，從而在教師的“生態(tài)”課堂中使學(xué)生會思考敢發(fā)言。

參考文獻(xiàn)：

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