“科學(xué)探究”素養(yǎng)導(dǎo)向的高中生物學(xué)教學(xué)設(shè)計

［摘 要］文章以“酶的作用和本質(zhì)”為例，介紹以“科學(xué)探究”素養(yǎng)為導(dǎo)向的高中生物學(xué)教學(xué)設(shè)計，將實驗探究和科學(xué)史相結(jié)合，讓學(xué)生在探究性實驗的設(shè)計、實施和數(shù)據(jù)分析以及科學(xué)史實驗的分析中構(gòu)建生物學(xué)概念，從而提升學(xué)生的“科學(xué)探究”核心素養(yǎng)，促進學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

［關(guān)鍵詞］科學(xué)探究；素養(yǎng)導(dǎo)向；高中生物學(xué)；教學(xué)設(shè)計

［中圖分類號］" " G633.91" " " " ［文獻標(biāo)識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）20-0091-03

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究和生物學(xué)實踐能力[1]。在高中生物學(xué)教學(xué)過程中，教師要關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的實踐經(jīng)歷，強調(diào)學(xué)生的積極參與，讓學(xué)生在科學(xué)探究中深化對知識的理解，訓(xùn)練科學(xué)思維，從而發(fā)展核心素養(yǎng)?，F(xiàn)以“酶的作用和本質(zhì)”的教學(xué)設(shè)計為例，探討新課標(biāo)理念下培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的路徑。

一、教材分析

“酶的作用和本質(zhì)”是人教版高中生物學(xué)必修1第5章第1節(jié)“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”的第一課時內(nèi)容，主要介紹酶在細胞代謝中的作用和酶的本質(zhì)[2]，幫助學(xué)生建構(gòu)重要概念“細胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細胞的特定區(qū)域”。本節(jié)在學(xué)生建構(gòu)重要概念“物質(zhì)通過被動運輸、主動運輸?shù)确绞竭M出細胞，以維持細胞的正常代謝活動”之后，安排“比較過氧化氫在不同條件下的分解”探究實踐活動，旨在讓學(xué)生學(xué)會運用科學(xué)方法，理解酶在細胞代謝中的作用，從而發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究核心素養(yǎng)，為后續(xù)建構(gòu)大概念“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖”打好基礎(chǔ)，具有承上啟下的作用。

二、學(xué)情分析

通過初中階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生一方面初步具備科學(xué)探究能力，且知道無機催化劑能催化化學(xué)反應(yīng)，了解食物消化是酶催化食物分解的化學(xué)反應(yīng)過程，但關(guān)于酶的作用和本質(zhì)缺乏知識的建構(gòu)；另一方面，具備一定的閱讀分析、歸納總結(jié)、類比推理等科學(xué)思維能力，能在問題導(dǎo)向下根據(jù)科學(xué)史實和實驗數(shù)據(jù)，理解酶的作用和本質(zhì)，建構(gòu)活化能等概念，完善知識體系。

三、教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)新課標(biāo)的要求，圍繞生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，制訂以下教學(xué)目標(biāo)：

（1）設(shè)計實施探究實驗“比較過氧化氫在不同條件下的分解”，通過自行設(shè)計和思考，提升科學(xué)思維能力，學(xué)會嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙Υ龑嶒灐?/p>

（2）分析探究實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，認(rèn)同酶的催化作用，掌握科學(xué)探究的一般步驟和原則，提升科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)。

（3）通過分析實驗數(shù)據(jù)和科學(xué)資料，思考能量變化的趨勢，理解“活化能”的概念，認(rèn)同酶的作用原理，總結(jié)出酶能降低化學(xué)反應(yīng)活化能。

（4）通過閱讀分析科學(xué)史實，與歷史中科學(xué)家的觀點相聯(lián)系，理解酶的本質(zhì)，認(rèn)同科學(xué)在質(zhì)疑和驗證中不斷發(fā)展，體會科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、堅持不懈的科學(xué)態(tài)度。

四、教學(xué)重難點

（1）教學(xué)重點：本節(jié)課要指導(dǎo)學(xué)生采用控制變量法對酶的作用和本質(zhì)進行實驗探究，通過分析實驗數(shù)據(jù)得出酶的作用和本質(zhì)。因此，用控制變量法探究酶的作用實驗是本節(jié)課的教學(xué)重點。

（2）教學(xué)難點：由于學(xué)生缺乏化學(xué)鍵斷裂與形成過程中能量變化的理論基礎(chǔ)，難以理解“活化能”概念。因此，“酶能降低化學(xué)反應(yīng)的活化能”和“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是本節(jié)課的教學(xué)難點。

五、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，激活思維，引出主題

以斯帕蘭札尼巧妙的實驗作為情境材料，結(jié)合當(dāng)下熱門的事件，通過問題串激活學(xué)生思維，引出本節(jié)課的主題——酶的作用和本質(zhì)。

情境材料1：斯帕蘭札尼將裝有肉塊的小巧的金屬籠讓鷹吞下，研究鷹的消化作用[3]。

情境材料2：“大胃王”暴飲暴食及在暴飲暴食后出現(xiàn)消化不良時口服多酶片。

情境問題：①材料1中的實驗會出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象？②為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？③多酶片的功能是什么？④多酶片助消化的物質(zhì)是什么？⑤消化酶是怎樣助消化的？⑥消化酶的作用原理是什么？⑦消化酶的化學(xué)本質(zhì)是什么？

設(shè)計意圖：結(jié)合科學(xué)史，以生活見聞為情境，鼓勵學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合生活常識推測問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激活學(xué)生思維，引出主題“酶的作用和本質(zhì)”，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（二）科學(xué)探究，對照分析，掌握酶的作用

將生物學(xué)與化學(xué)相結(jié)合，以初中化學(xué)實驗“氧氣的實驗室制取與性質(zhì)”為切入點，通過問題探討、實驗探究和科學(xué)分析等過程，讓學(xué)生掌握“對照分析”方法，明確酶也是催化劑，具有催化作用。

1.問題探討，類比分析，推測酶的作用

以初中化學(xué)實驗“氧氣的實驗室制取與性質(zhì)”（制取裝置如圖1所示）為切入點，讓學(xué)生回顧初中化學(xué)知識，并輔以問題串“①在氧氣的實驗室制取中，二氧化錳有什么作用？②多酶片能助消化，促進食物分解，能推測出消化酶的作用嗎？”，引導(dǎo)學(xué)生探討MnO2與消化酶的聯(lián)系，推測酶的作用。

設(shè)計意圖：以初中化學(xué)知識為切入點，讓學(xué)生回顧“氧氣的實驗室制取”過程[4]，其中二氧化錳是無機催化劑，可使過氧化氫分解成水和氧氣，并讓學(xué)生將“多酶片促進食物分解”與之作類比，通過“分解”這一共同點類比推理出酶也具有催化作用，為探究酶的作用做鋪墊。同時，讓學(xué)生體驗運用跨學(xué)科知識解決生物學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力和科學(xué)思維素養(yǎng)。

2.史料學(xué)習(xí)，掌握事實，確定探究思路

通過科學(xué)史“1811年，泰納爾首次發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶；1900年，奧斯卡·勒夫發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶的主要功能是清除過量的過氧化氫”[5]，讓學(xué)生了解一些科學(xué)史實，并以此設(shè)問“①怎樣實現(xiàn)過氧化氫的清除？②過氧化氫在什么條件下分解？③怎樣證明過氧化氫酶能清除過氧化氫？”，引導(dǎo)學(xué)生確定探究酶作用的實驗思路。

設(shè)計意圖：通過科學(xué)史，讓學(xué)生了解生物體內(nèi)存在有害物質(zhì)過氧化氫，也存在能夠清除過氧化氫的酶，讓學(xué)生明確要探究酶的作用，可從生物組織中提取過氧化氫酶進行實驗，從而初步確定實驗的探究思路：比較過氧化氫在不同條件下的分解速度，確定過氧化氫酶的催化分解作用，從中訓(xùn)練學(xué)生的實驗設(shè)計能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

3.探究實踐，分析現(xiàn)象，科學(xué)歸納結(jié)論

根據(jù)探究思路，設(shè)計“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗方案，確定實驗步驟，開展實驗并記錄實驗結(jié)果（如表1），并以問題串“①試管1在本實驗中起著怎樣的作用？是否可以棄用？為什么？②試管1和試管2現(xiàn)象有何不同？說明什么？③試管1和試管3現(xiàn)象有何不同？說明什么？④試管1和試管4現(xiàn)象有何不同？說明什么？⑤試管3和試管4現(xiàn)象有何不同？說明什么？⑥本實驗?zāi)艿贸瞿男┙Y(jié)論？”引導(dǎo)學(xué)生分析實驗現(xiàn)象，得到相應(yīng)的實驗結(jié)論，認(rèn)同酶具有催化作用。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生在親身探究中分析實驗數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的結(jié)論：從試管1與試管2的對比中得出提供能量（增加溫度）能提高反應(yīng)速率；從試管1與試管3的對比中得出二氧化錳具有催化過氧化氫分解的作用；從試管1與試管3、試管4的對比中得出生物組織中存在的過氧化氫酶較之無機催化劑二氧化錳具有更高的催化效率。通過實驗探究，訓(xùn)練學(xué)生的實驗分析能力和科學(xué)思維能力，同時引導(dǎo)學(xué)生思考為什么會出現(xiàn)這些實驗現(xiàn)象，為探究酶的作用原理埋下伏筆。

4.史料學(xué)習(xí)，科學(xué)分析，認(rèn)同酶的作用原理

引入科學(xué)史“分子轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S狀態(tài)才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，1889年瑞典物理化學(xué)家阿列紐斯將分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需的能量稱為‘活化能’[6]”，并結(jié)合表2的數(shù)據(jù)分析，設(shè)置問題串“①什么樣的分子才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？②怎樣才能讓分子具備反應(yīng)條件？③通過表2的數(shù)據(jù)分析能得出什么結(jié)論？④你能推斷出酶的作用原理嗎？”，引導(dǎo)學(xué)生知道并理解“活化能”，認(rèn)同酶的作用原理。

設(shè)計意圖：通過科學(xué)史讓學(xué)生知道并理解“活化能”，結(jié)合數(shù)據(jù)和問題串進行分析，逐步讓學(xué)生知道并認(rèn)同酶的作用原理，培養(yǎng)學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)分析能力以及問題探究能力。

（三）史實為證，科學(xué)分析，認(rèn)同酶的本質(zhì)

以科學(xué)史“①1926年，美國科學(xué)家薩姆納歷經(jīng)9年，從刀豆種子提取液中分離并提純了脲酶結(jié)晶，且證明脲酶是蛋白質(zhì)，并提出酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)；②20世紀(jì)80年代，加拿大分子生物學(xué)家奧爾特曼和切赫分別在實驗中發(fā)現(xiàn)核糖核酸具有催化功能”[7]引導(dǎo)學(xué)生思考問題：“薩姆納、奧爾特曼和切赫分別證明了什么？你能用自己的話概括出酶的本質(zhì)嗎？”，進而概括出酶的本質(zhì)是具有催化作用的有機物[8]。

設(shè)計意圖：以科學(xué)史為基礎(chǔ)引導(dǎo)學(xué)生概括酶的本質(zhì)，結(jié)合前段內(nèi)容實現(xiàn)從“作用”“作用原理”和“本質(zhì)”三個維度認(rèn)識酶，從而建構(gòu)酶的概念，為建構(gòu)重要概念“細胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細胞的特定區(qū)域”打好基礎(chǔ)。同時，讓學(xué)生在閱讀分析科學(xué)史的過程中理解科學(xué)在不斷的探索中發(fā)展，體會科學(xué)家在科學(xué)探索中的堅韌和執(zhí)著。

六、教學(xué)反思

高中生物學(xué)課程的核心價值是培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，促進學(xué)生全面發(fā)展。本節(jié)課結(jié)合科學(xué)史，將科學(xué)探究貫穿教學(xué)始終，充分激活學(xué)生的思維，提出疑問，讓學(xué)生在實驗設(shè)計、操作與分析以及史料閱讀分析中，逐步建構(gòu)生物學(xué)概念。本節(jié)課有效地訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維能力、科學(xué)探究能力和問題解決能力，有效促進了學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，有助于學(xué)生的全面發(fā)展，是可借鑒的教學(xué)案例。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書 生物學(xué) 必修1" 分子與細胞[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]" 聶曉倩，張鋒.基于科學(xué)史的中學(xué)生物學(xué)元探究教學(xué)：以“酶本質(zhì)的探索”為例[J].中學(xué)生物學(xué)，2021，37（5）：10-12.

[4]" 畢華林，亓英麗.化學(xué)教學(xué)設(shè)計[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[5]" 于德玲，王昌留.過氧化氫酶的研究進展[J].中國組織化學(xué)與細胞化學(xué)雜志，2016，25（2）：189-194.

[6]" 謝仁榮，申定健，吳志強.高中生物學(xué)教學(xué)中對酶促反應(yīng)活化能的理解[J].生物學(xué)教學(xué)，2022，47（9）：89-91.

[7]" 周美英，朱曉燕.生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的教學(xué)實踐與反思：以“酶的作用與本質(zhì)”教學(xué)為例[J].生物學(xué)通報，2019，54（10）：28-30.

[8]" 趙婷婷.“關(guān)于酶本質(zhì)的探索”科學(xué)史分析與教學(xué)建議[J].生物學(xué)教學(xué)，2022，47（7）：93-95.

（責(zé)任編輯 羅 艷）