滲透科學(xué)本質(zhì)的生物學(xué)教學(xué)
——以“酶的作用機(jī)理”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計為例

付 鑫 喬文軍

（1 北京市十一學(xué)校 北京 100039 2 北京教育科學(xué)研究院基礎(chǔ)教育教學(xué)研究中心 北京 100191）

1 指導(dǎo)思想

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課程標(biāo)準(zhǔn)”）已經(jīng)頒布，由此開啟了新一輪的基礎(chǔ)教育課程改革。 新課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出“生物學(xué)課程既要讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過程中所持有的觀點，以及解決問題的思路和方法”的課程性質(zhì)。同時，新課程標(biāo)準(zhǔn)首次提出了“核心素養(yǎng)為宗旨”的基本理念。在新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的背景下，如何在面臨新標(biāo)準(zhǔn)、 新評價方案的教學(xué)年級中體現(xiàn)與實行現(xiàn)有方案的“經(jīng)驗教學(xué)”的區(qū)別，是任教于2017級高一年級教師的挑戰(zhàn)。

通過對新課程標(biāo)準(zhǔn)中“學(xué)科核心素養(yǎng)與課程目標(biāo)”的分析，學(xué)生需要在新課程的教學(xué)實施過程中達(dá)成的不僅是應(yīng)對高考的學(xué)科知識與能力，更是富有生物學(xué)思維的問題解決方法。 同時必須考慮到，在解決問題的過程中，學(xué)生需要有生物學(xué)領(lǐng)域中較高的視角，例如結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀等，甚至需要借助物理學(xué)、化學(xué)的知識與方法應(yīng)對問題解決過程中遇到的各種狀況。 因此，自21世紀(jì)以來美國主流教育界所倡導(dǎo)的STEM 教育有必要在我國新課程方案實施中落地，且并不僅限于研究性學(xué)習(xí)和課外活動，是將滲透在高中課堂中的重要思想［1］。

5E 教學(xué)模式將一節(jié)課或一個單元分為參與（engagement）、探 究（exploration）、 解 釋（explanation）、拓展（elaboration）及評價（evaluation）5 個階段，這一模式可在一堂課上全部體現(xiàn)，也可分布在某一單元乃至一學(xué)期中持續(xù)體現(xiàn)。 該種教學(xué)模式遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，充分調(diào)動學(xué)生進(jìn)行調(diào)查、實驗、解決問題等探究活動，主動進(jìn)行科學(xué)概念的構(gòu)建及錯誤概念的轉(zhuǎn)化。5E 教學(xué)模式自提出已經(jīng)過30 余年的實踐，受到課程專家及一線教師的普遍認(rèn)可，并成為美國生物科學(xué)課程研究所（Biological Sciences Curriculum Study, BSCS）倡導(dǎo)的制定教學(xué)計劃的主要模式。 利用5E 教學(xué)模式進(jìn)行生物學(xué)課程的教學(xué)設(shè)計，能很好地踐行新課程改革的思想［2］。

2 教材分析

2.1 內(nèi)容分析 酶是生物體內(nèi)驅(qū)動各種化學(xué)反應(yīng)的催化劑，是細(xì)胞代謝正常發(fā)生的前提條件。酶的教學(xué)內(nèi)容是未來學(xué)習(xí)“細(xì)胞呼吸、光合作用”的重要前導(dǎo)知識，更回應(yīng)了學(xué)習(xí)“組成細(xì)胞的化合物”中蛋白質(zhì)相關(guān)內(nèi)容，是學(xué)生學(xué)習(xí)模塊1“分子與細(xì)胞”建立結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀的重要節(jié)點。酶的催化功能可顯著提升化學(xué)反應(yīng)速率，并將反應(yīng)條件的要求極大降低。 上述催化的機(jī)制基于化學(xué)基本原理，在教學(xué)實踐中大多數(shù)教師往往對這一部分進(jìn)行簡化，用“爬高峰”和“鉆山洞”比擬酶降低活化能的作用。然而，這種簡單的比喻無法讓學(xué)生在本節(jié)學(xué)科內(nèi)容中樹立適宜的結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。 因此，如果向?qū)W生深入淺出地展現(xiàn)生物化學(xué)中酶降低活化能的“過渡態(tài)”理論，同時展現(xiàn)科學(xué)家在酶學(xué)研究過程中真實的實驗設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生用生物學(xué)家的視角解決科學(xué)問題，從科學(xué)本質(zhì)的角度理解生物學(xué)現(xiàn)象和原理，能夠?qū)崿F(xiàn)新課程標(biāo)準(zhǔn)對培養(yǎng)核心素養(yǎng)的要求。

2.2 學(xué)習(xí)需要分析 本節(jié)教學(xué)設(shè)計的內(nèi)容1 課時內(nèi)完成，要求學(xué)生在已學(xué)習(xí)“組成細(xì)胞的化合物”相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)。 學(xué)生在生活中對“酶”這一名詞耳熟能詳，必然會存在前科學(xué)概念。富有實踐意義的導(dǎo)入能探查學(xué)生已有概念，實現(xiàn)科學(xué)概念的轉(zhuǎn)化。本節(jié)內(nèi)容相對抽象，但教學(xué)設(shè)計的特點是將抽象的內(nèi)容具體化，用表征、引申等方式幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念。

2.3 關(guān)鍵術(shù)語 酶、過渡態(tài)、活化能、高效性、專一性。

2.4 重要概念

1）酶通過穩(wěn)定反應(yīng)物“過渡態(tài)”，降低了活化能，具有催化作用。

2）酶通過結(jié)合反應(yīng)物“過渡態(tài)”，增加反應(yīng)物有效濃度，體現(xiàn)出催化的高效性。

3）酶通過與反應(yīng)物“過渡態(tài)”的空間契合，體現(xiàn)出催化的專一性。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）說出酶通過降低反應(yīng)活化能而催化生化反應(yīng)的機(jī)理。

2）說出酶體現(xiàn)催化過程中體現(xiàn)的高效性和專一性。

3）分析資料中給定的信息，探究酶催化反應(yīng)的機(jī)制。

4）認(rèn)同酶作為催化劑在物質(zhì)代謝中體現(xiàn)核心地位的生命觀念。

5）體會利用新技術(shù)對假說進(jìn)行論證的科學(xué)思維過程。

4 教學(xué)安排

1）授課對象：高一年級學(xué)生（包含選考與非選考生物學(xué)作為等級考試的學(xué)生）。

2）課時安排：1 課時。

3）教學(xué)策略：探究教學(xué)、實驗教學(xué)、5E 教學(xué)模式。

5 教學(xué)設(shè)計與過程

5.1 基于具體模型的探究（參與階段，engagement）

5.1.1 問題的提出 教師展示化工廠和根瘤菌2幅圖片，從一個化學(xué)反應(yīng)N2+3H2→2NH3作為生物學(xué)課的導(dǎo)入。 教師指出氨的合成是人類生活生產(chǎn)中十分重要的化學(xué)反應(yīng)，然而相同的反應(yīng)在工業(yè)合成和生物固氮過程中所需要的條件千差萬別，而小小的根瘤菌之所以有如此大的本領(lǐng)歸因于神秘的“E 物質(zhì)”的存在，從而引發(fā)學(xué)生的興趣。

5.1.2 “酶”概念的引入 首先，用鐵絲的焊接類比一個化學(xué)上的合成反應(yīng)（圖1），展示反應(yīng)所需的如電光火石般的強(qiáng)烈條件。

類似地，一條粗鐵絲的斷開，如同一個化學(xué)分解反應(yīng)，仍然需要一個適宜的條件（圖2）。 由此類比，教師通過提出一個問題串，引發(fā)學(xué)生思考，引出對反應(yīng)物“過渡態(tài)”的理解。 基于類似的生活經(jīng)驗，以及設(shè)計中比較易于理解的模型，學(xué)生對此問題起初并不難以回答。 教師需要引導(dǎo)學(xué)生從淺層次的感性認(rèn)識，向“物質(zhì)狀態(tài)與能量水平的關(guān)系”上進(jìn)行思考，樹立物質(zhì)與能量觀。 與此同時，提出類似于固氮菌中“E 物質(zhì)”的“鐵絲E”在鐵絲斷開的過程中起到了加快變化過程的作用，引出學(xué)生對“E 物質(zhì)”作用機(jī)理的探求。

為探究“鐵絲E”的作用機(jī)理，建立在學(xué)生通過上述學(xué)習(xí)過程已經(jīng)得到“物質(zhì)狀態(tài)越穩(wěn)定能量越低，反之亦然”結(jié)論的前提下，教師拋出2 種大膽的猜想（圖3）。

組織小組活動，對2 種猜想反應(yīng)物、“過渡態(tài)”和生成物3 種物質(zhì)狀態(tài)的能量水平進(jìn)行分析，在討論中生成如圖3 右側(cè)的能量變化曲線，指出如同掰斷鐵絲所用的“勁兒”是圖中哪一能量變化過程（ΔGN），引出反應(yīng)活化能的概念。 學(xué)生通過分析2 種猜想，比較2 種猜想中活化能的大小，能確定“鐵絲E”應(yīng)該穩(wěn)定“過渡態(tài)”而非鐵絲本身才能有效降低活化能，降低所用的“勁兒”，達(dá)到促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生的目的。

最后，通過總結(jié)“鐵絲模型”中模擬化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)狀態(tài)與能量水平變化的過程（圖4），指出生物化學(xué)反應(yīng)中實現(xiàn)降低反應(yīng)活化能神秘“E 物質(zhì)”就是酶。 由此得到本節(jié)課第1 個重要概念：酶通過穩(wěn)定反應(yīng)物“過渡態(tài)”，降低了活化能，具有催化作用。

5.2 基于實驗操作的探究（探究階段，exploration）

5.2.1 酶作用的高效性 在提出“酶”概念的基礎(chǔ)上，教師帶領(lǐng)學(xué)生探究具體一個酶（過氧化氫酶）的作用。 基于現(xiàn)有人教版必修1 《分子與細(xì)胞》第5 章第1 節(jié)“降低反應(yīng)活化能的酶”中比較過氧化氫在不同條件下的分解實例，組織學(xué)生進(jìn)行小組實驗，記錄實驗現(xiàn)象。

1）在只加入過氧化氫溶液的試管中，學(xué)生觀察不到明顯的實驗現(xiàn)象。 教師引導(dǎo)學(xué)生從前一階段“物質(zhì)狀態(tài)與能量水平關(guān)系”的結(jié)論中進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)過氧化氫難以自發(fā)分解的原因是因為存在一個能量水平較高的“過渡態(tài)”，需要較高活化能才能完成反應(yīng)。就此，提問如何讓反應(yīng)發(fā)生——提高反應(yīng)物的能量水平，引出下一個實驗。

2）加熱加入過氧化氫的試管，學(xué)生能觀察到試管壁上有氣泡出現(xiàn)，但衛(wèi)生香難以復(fù)燃。教師引導(dǎo)學(xué)生分析，這是由于加熱提高了反應(yīng)物的能量水平，從而達(dá)到“過渡態(tài)”對應(yīng)的能量從而引發(fā)反應(yīng)，產(chǎn)生了少量氧氣。 這時，學(xué)生經(jīng)過思考提出如果有物質(zhì)能穩(wěn)定“過渡態(tài)”，應(yīng)該在沒有加熱的條件下，引發(fā)過氧化氫的分解，從而引出下一個實驗。

3）在加入過氧化氫的試管中加入3 滴氯化鐵溶液，學(xué)生能觀察到有些許氣泡出現(xiàn)，并使衛(wèi)生香火星變大。在相同條件下，在加入過氧化氫的試管中加入3 滴肝臟研磨液，比較實驗現(xiàn)象，學(xué)生能觀察到有大量氣泡產(chǎn)生，并使衛(wèi)生香猛烈復(fù)燃。教師展示氯化鐵和肝臟研磨液中過氧化氫酶催化過氧化氫分解的示意圖（圖5），提問2 種催化劑催化效果差異的原因?；瘜W(xué)基礎(chǔ)較好的學(xué)生能發(fā)現(xiàn)，氯化鐵催化過氧化氫分解的機(jī)理是將反應(yīng)分步進(jìn)行，分步反應(yīng)“過渡態(tài)”所需能量較低，從而實現(xiàn)降低活化能的效果。 但這一過程仍然依賴于整個反應(yīng)體系中分子間的隨機(jī)碰撞。作為催化劑的過氧化氫酶，通過一個腔隙收集反應(yīng)分子，結(jié)合之前的結(jié)論，這個腔隙不僅能穩(wěn)定“過渡態(tài)”，還能制造一個“局部空間”增大過氧化氫的有效濃度。由此得到本節(jié)課第2 個重要概念：酶通過結(jié)合反應(yīng)物“過渡態(tài)”，增加反應(yīng)物有效濃度，體現(xiàn)出催化的高效性。

5.2.2 酶作用的專一性 在以上4 組實驗的基礎(chǔ)上，教師帶領(lǐng)學(xué)生開始對2 種酶（過氧化氫酶和淀粉酶）進(jìn)行研究。 本實驗設(shè)計是在現(xiàn)有教材“探究淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解”基礎(chǔ)上進(jìn)行了改編，利用圖6 的實驗裝置，成為上節(jié)實驗的延續(xù)，探究過氧化氫酶和淀粉酶的作用。

教師引導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)有實驗儀器，利用過氧化氫、淀粉溶液、過氧化氫酶、淀粉酶4 種實驗試劑探究酶作用的“門當(dāng)戶對”。 學(xué)生對本設(shè)計改良的實驗興趣盎然，培養(yǎng)學(xué)生對新情境下的問題進(jìn)行實驗設(shè)計的能力。

通過小組間的相互啟發(fā)，學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)只有反應(yīng)物與酶一一對應(yīng)時才會發(fā)生反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，教師再次引導(dǎo)學(xué)生回顧上一節(jié)的實驗，分析過氧化氫酶的腔隙與反應(yīng)物之間結(jié)合的條件，從而得出本節(jié)課的第3 個重要概念：酶通過與反應(yīng)物“過渡態(tài)”的空間契合，體現(xiàn)催化的專一性。

5.3 基于實驗結(jié)果的現(xiàn)象解釋（解釋與延伸階段，explanation and elaboration） 在得到本節(jié)課3 個重要結(jié)論的基礎(chǔ)上，教師提出一個更富有挑戰(zhàn)性的新問題。 該問題基于脯氨酸的異構(gòu)化反應(yīng)，已知脯氨酸類似物與脯氨酸“過渡態(tài)”類似物均能抑制上述反應(yīng)發(fā)生，提問學(xué)生哪種抑制劑的效果更強(qiáng)（圖7）。

隨著這一新情境的出現(xiàn)，學(xué)生需要縱觀本節(jié)課的3 個重要概念，并緊扣“過渡態(tài)”這一線索進(jìn)行思考。抑制劑發(fā)揮作用的原因是因為其結(jié)構(gòu)與酶空間結(jié)構(gòu)中的腔隙契合，實現(xiàn)與反應(yīng)物、“過渡態(tài)”分子進(jìn)行競爭，抑制了化學(xué)反應(yīng)。 而正是由于酶的催化機(jī)理是穩(wěn)定“過渡態(tài)”，“過渡態(tài)”與酶的結(jié)合能力強(qiáng)于反應(yīng)物與酶的結(jié)合能力，因此上述2 種抑制劑中“過渡態(tài)”類似物具有更強(qiáng)的抑制效果。

這一情境的設(shè)置幫助學(xué)生回顧整節(jié)課的重要概念，引發(fā)學(xué)生的課堂內(nèi)容核心的回顧，并用已學(xué)知識靈活地解釋現(xiàn)象，對學(xué)生的認(rèn)知能力、遷移能力有較高的要求，更是對學(xué)生是否理解科學(xué)本質(zhì)的重要檢驗。

5.4 應(yīng)用概念解決實際問題（評價階段，evaluation）

作為本節(jié)課的收尾，教師利用一則科學(xué)史材料，從Pollack 提出酶催化反應(yīng)的“過渡態(tài)”假說進(jìn)行證實的實驗出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生回答問題。本設(shè)計中問題的設(shè)置參考了新課程標(biāo)準(zhǔn)中對學(xué)業(yè)水平的4級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，充分體現(xiàn)新評價方案的特點。

作為評價題目，本題具有大量的新信息，同時包含生物學(xué)科中多個主題，對學(xué)生的分析能力和綜合運用能力有很高的要求。 雖然學(xué)生暫且沒有掌握“抗原－抗體反應(yīng)”的基礎(chǔ)知識，但通過深入淺出的題目敘述，他們能尋找到題目信息中的邏輯關(guān)系。 4 個小問題所要求的學(xué)業(yè)能力水平層層遞進(jìn)，能對不同層次的學(xué)生進(jìn)行診斷。 同時，第4問中情境的設(shè)置貼近學(xué)生的生活，對健康生活進(jìn)行宣揚，學(xué)生通過所學(xué)知識對社會問題進(jìn)行解決，凸顯了新課程標(biāo)準(zhǔn)中“社會責(zé)任”這一核心素養(yǎng)的落地。

6 教學(xué)反思

本節(jié)課具有較強(qiáng)的思維含量，通過基于材料的探究、基于實驗的探究等多種探究方式，對學(xué)生的科學(xué)思維能力進(jìn)行訓(xùn)練，通過層層深入的情境設(shè)置帶領(lǐng)學(xué)生深入教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)。 由于課堂容量很大，對教師和學(xué)生都提出了挑戰(zhàn)。但是在實踐中，學(xué)生樂于接受這些挑戰(zhàn)，只有符合學(xué)生認(rèn)知水平而又富有挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)任務(wù)才能引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在學(xué)習(xí)中挑戰(zhàn)自我、超越自我。 在不同的學(xué)校進(jìn)行本節(jié)課的教學(xué)實踐證明，不同層次的學(xué)生能達(dá)成的水平并不一致，這也恰恰符合新課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生的評價要求。 教師可根據(jù)本校學(xué)生的實際情況對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行刪減、重構(gòu)，以適合學(xué)生的學(xué)習(xí)。