優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué) 建構(gòu)重要概念

蔡燕

[摘 要]以新人教版生物學(xué)教材必修1第五章第一節(jié)《降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，從多個(gè)角度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物學(xué)重要概念的建構(gòu)。

[關(guān)鍵詞]實(shí)驗(yàn)教學(xué);重要概念;化學(xué)反應(yīng)活化能;酶

[中圖分類號(hào)]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）08-0086-02

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究和認(rèn)識(shí)事物是生物學(xué)的突出特征，離開了實(shí)驗(yàn)，生物學(xué)的概念、原理也就失去了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)課程的特點(diǎn)，是生物學(xué)教學(xué)的基本形式之一?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》強(qiáng)調(diào)“要高度關(guān)注教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐，通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的理解”。

《降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶》是人教版生物學(xué)教材必修1第五章第一節(jié)的內(nèi)容，此課有一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)：比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解，這是一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是驗(yàn)證過(guò)氧化氫酶在細(xì)胞代謝中的作用。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和對(duì)象都是規(guī)定好的，照著課本按部就班地做實(shí)驗(yàn)即可。這種“配方”式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠呈現(xiàn)生物學(xué)事實(shí)，但缺少學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，是知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，只有在學(xué)生積極參與時(shí)，建構(gòu)活動(dòng)才可能發(fā)生。教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)當(dāng)喚起學(xué)生的求知欲，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使他們不斷思考與探究。鑒于此，筆者嘗試優(yōu)化《降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)重要概念。

一、重要概念的認(rèn)識(shí)

重要概念是處于學(xué)科中心位置，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)具有引領(lǐng)作用的基礎(chǔ)知識(shí)，它能夠?qū)⒘闵⒌闹R(shí)系統(tǒng)化和條理化。生物學(xué)的重要概念應(yīng)該是學(xué)生在將來(lái)遺忘了一些學(xué)過(guò)的具體生物學(xué)事實(shí)后，仍能長(zhǎng)時(shí)間保留的主干知識(shí)，包括對(duì)生物學(xué)原理、理論等的理解和解釋?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出“教師在設(shè)計(jì)和組織每個(gè)單元的教學(xué)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)該圍繞大概念和重要概念展開”“所有的教學(xué)活動(dòng)都要有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的建立、理解和應(yīng)用”。認(rèn)真分析和梳理《降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶》第一課時(shí)，發(fā)現(xiàn)其重要概念包括降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶、控制變量（自變量、因變量、無(wú)關(guān)變量）、對(duì)照實(shí)驗(yàn)（對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組）等。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出探究性問(wèn)題

教師先引入俗語(yǔ)“人是鐵，飯是鋼，一頓不吃餓得慌”，再設(shè)計(jì)探究性問(wèn)題“營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中的能量是如何被細(xì)胞所利用的？這些能量的最終源頭是如何進(jìn)入細(xì)胞的？”，接著闡述“對(duì)細(xì)胞來(lái)說(shuō)，能量的供應(yīng)和利用都必須經(jīng)過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，細(xì)胞中每時(shí)每刻都進(jìn)行著許多化學(xué)反應(yīng)，統(tǒng)稱為細(xì)胞代謝，而這些化學(xué)反應(yīng)離不開一種物質(zhì)……”，最后讓學(xué)生欣賞視頻“加酶農(nóng)作物的神奇變化”，并提問(wèn)：“視頻中的農(nóng)作物在噴灑了酶溶液后為何能夠長(zhǎng)得如此巨大？酶在細(xì)胞代謝中起什么作用？它是怎樣起作用的？”從而導(dǎo)入新課。

設(shè)計(jì)意圖：聯(lián)系生活實(shí)例引入，利用合理的視頻資源，抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，以吸引學(xué)生的注意力，促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。

2.問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)

教師講解：細(xì)胞代謝是細(xì)胞生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，但在細(xì)胞代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)細(xì)胞有害的物質(zhì)，如過(guò)氧化氫。細(xì)胞中有一種叫過(guò)氧化氫酶的物質(zhì)可將其分解為水和氧氣（化學(xué)反應(yīng)式：H2O2→H2O+O2）。請(qǐng)學(xué)生思考：（1）該反應(yīng)在常溫下能進(jìn)行嗎？如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)？（2）有哪些方法可以加快該反應(yīng)的速度？如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)？說(shuō)出具體的實(shí)驗(yàn)操作方法。（3）通過(guò)什么現(xiàn)象（或方法）可以檢測(cè)反應(yīng)速度的快慢？

學(xué)生思考并回答：將過(guò)氧化氫溶液分別倒入3支試管中，一支放在室溫條件下，一支進(jìn)行加熱，一支加入一定量的無(wú)機(jī)催化劑，觀察三支試管中的氣泡產(chǎn)生速度或用帶火星的木條進(jìn)行檢測(cè)。

教師繼續(xù)提出問(wèn)題：細(xì)胞中的過(guò)氧化氫酶的作用最可能與哪種情況相似？

學(xué)生思考討論并做出假設(shè)：可能與加入無(wú)機(jī)催化劑的情況相似，因?yàn)榧?xì)胞中的過(guò)氧化氫需及時(shí)分解，而細(xì)胞不能通過(guò)加熱來(lái)提高反應(yīng)速率。

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)材料（選用富含過(guò)氧化氫酶的組織）加入到過(guò)氧化氫溶液中，并觀察現(xiàn)象。最后以小組為單位補(bǔ)充表1的實(shí)驗(yàn)步驟，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在表1中記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)初中化學(xué)的學(xué)習(xí)對(duì)過(guò)氧化氫的分解這一過(guò)程較為熟悉。教師針對(duì)“過(guò)氧化氫酶的作用”這一重要概念，提出探究性問(wèn)題“細(xì)胞中的過(guò)氧化氫酶的作用最可能與哪種情況相似？”引發(fā)學(xué)生深入思考，提出假設(shè)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，最后得出加熱、加催化劑能夠加快反應(yīng)速率。教學(xué)設(shè)計(jì)自然而又不失趣味。鑒于學(xué)生對(duì)探究性實(shí)驗(yàn)的一般過(guò)程有初步的了解，但要獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)難度極大，因此上述教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)表格實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行補(bǔ)充以降低實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)難度，幫助學(xué)生有效突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，最后通過(guò)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力以及分析與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師繼續(xù)提出問(wèn)題：（1）4支試管在實(shí)驗(yàn)步驟上的不同之處是什么？引導(dǎo)學(xué)生得出自變量的概念;接著展示加酶洗衣粉外包裝“用溫水溶液浸泡”這一說(shuō)明，以及人體不同消化液的pH值（唾液pH：6.2～7.4，胃液pH：0.9～1.5，小腸液pH：7.6），引起學(xué)生質(zhì)疑：溫度或pH值的改變對(duì)酶的催化作用有何影響？教師追問(wèn)：所提問(wèn)題中的自變量分別是什么？（2）在2、3、4號(hào)試管中為何加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的過(guò)氧化氫的量也為2 mL？（3）還有哪些因素會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響？這些因素是否是本實(shí)驗(yàn)需要研究的？如何避免它們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的干擾？

學(xué)生小組討論上述問(wèn)題，并在教師的指導(dǎo)下從表1中指出實(shí)驗(yàn)中的自變量、因變量、無(wú)關(guān)變量、對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在補(bǔ)充表格中實(shí)驗(yàn)步驟的過(guò)程中，已嘗試對(duì)變量進(jìn)行控制。通過(guò)第一個(gè)問(wèn)題幫助學(xué)生理解自變量以及對(duì)照實(shí)驗(yàn)，再通過(guò)兩個(gè)問(wèn)題情境及時(shí)鞏固和加深學(xué)生對(duì)“自變量”這一重要概念的理解。通過(guò)第二個(gè)問(wèn)題使學(xué)生了解無(wú)關(guān)變量，最后通過(guò)一系列層層遞進(jìn)的問(wèn)題串，引發(fā)學(xué)生思考并促進(jìn)學(xué)生深刻理解無(wú)關(guān)變量并非與實(shí)驗(yàn)“無(wú)關(guān)”，以及其需要保持相同且適宜的原因。

3.建立模型分析，加深概念理解

教師引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出問(wèn)題：與1號(hào)試管相比，2號(hào)試管出現(xiàn)什么現(xiàn)象？這一現(xiàn)象說(shuō)明什么？學(xué)生回答：加熱能夠加速過(guò)氧化氫的分解。教師繼續(xù)追問(wèn)：這是什么原因呢？利用圖示方法（見圖1）闡述常態(tài)、活躍狀態(tài)以及活化能的定義。舉例：汽油易被空氣中的氧氣氧化而燃燒，但常溫下一般不會(huì)自燃，只有在點(diǎn)火后才能燃燒。請(qǐng)思考加熱為何能提高化學(xué)反應(yīng)速率。

接著引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：比較1、3、4號(hào)試管中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析對(duì)實(shí)驗(yàn)的假設(shè)是否成立。學(xué)生沿著探究實(shí)驗(yàn)的步驟分析交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：酶與無(wú)機(jī)催化劑相似，具有催化作用，且酶的催化作用更顯著。

教師呈現(xiàn)表2，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析并回答催化作用的機(jī)理，說(shuō)出酶與無(wú)機(jī)催化劑相比催化作用更顯著的原因。假定圖1為常溫下過(guò)氧化氫分解過(guò)程中的能量變化，請(qǐng)以小組為單位討論在加熱、加無(wú)機(jī)催化劑以及加酶后活化能的變化情況，并在圖1的基礎(chǔ)上建立不同條件下能量變化的數(shù)學(xué)模型（見圖2），進(jìn)行交流。

設(shè)計(jì)意圖：不同條件下過(guò)氧化氫分解速率加快的原因各不相同，教師在處理“加熱”這一條件時(shí)，采用“汽油燃燒”這一生活案例，便于學(xué)生理解;處理加無(wú)機(jī)催化劑和過(guò)氧化氫酶的條件時(shí)，給出具體的活化能數(shù)據(jù)，科學(xué)直觀。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論，將各條件下作用的機(jī)理繪制成數(shù)學(xué)模型，使學(xué)生直觀、深刻地理解“酶降低化學(xué)反應(yīng)活化能”這一重要概念，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維和模型構(gòu)建能力。

三、教學(xué)反思

在這節(jié)實(shí)驗(yàn)課中，教師對(duì)教材上的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)加以優(yōu)化，巧妙設(shè)計(jì)系列問(wèn)題引發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入探究，并且通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在這種帶著解決問(wèn)題的目的去設(shè)計(jì)、進(jìn)行及分析的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生是知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，一方面能夠深刻理解相關(guān)重要概念，另一方面也能夠逐漸養(yǎng)成探究的態(tài)度、方法和思維。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（責(zé)任編輯 黃春香）