張亞慧 郭 莉 楊文源

（1 北京大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100190 2 首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院 北京 100037）

1 設(shè)計(jì)思路

杜威的“實(shí)用主義理論”強(qiáng)調(diào)“從做中學(xué)”，他認(rèn)為學(xué)習(xí)就應(yīng)該在真實(shí)的生活情境中，在情境中發(fā)現(xiàn)疑難并提出問(wèn)題，通過(guò)一定的邏輯思維作出假設(shè)，用實(shí)際行動(dòng)檢驗(yàn)假設(shè)，解決實(shí)際問(wèn)題，即“困難—問(wèn)題—假設(shè)—論證—檢驗(yàn)”5 步思維方法。這也是科學(xué)研究的一般思路，是中學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)的思路，更是本節(jié)課的教學(xué)思路。

在本節(jié)教學(xué)中，教師拋出喝茶對(duì)防治糖尿病是否有幫助的生活情境，將擬解決的首個(gè)問(wèn)題確定為“茶多酚是否會(huì)影響人唾液淀粉酶的活性？ ”［1－3］，讓學(xué)生自己查閱資料、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，親身經(jīng)歷科學(xué)研究的過(guò)程，通過(guò)不斷揣摩茶多酚與人唾液淀粉酶的關(guān)系，最終落實(shí)“酶的空間結(jié)構(gòu)影響酶的活性”的核心概念。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中讓學(xué)生領(lǐng)悟探究性實(shí)驗(yàn)研究中對(duì)變量的控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等方法，訓(xùn)練理性思維，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建相關(guān)概念，進(jìn)而形成“結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一”的生物學(xué)觀念。同時(shí)，大實(shí)驗(yàn)是以小組合作的形式完成的，學(xué)生從合作中感悟并承擔(dān)社會(huì)責(zé)任。最終，通過(guò)這種“科學(xué)大實(shí)驗(yàn)”，將新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)的“生命觀念、理性思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任”生物學(xué)核心素養(yǎng)落到實(shí)處［4］。

2 教學(xué)內(nèi)容的組織

2.1 教材分析 該主題學(xué)習(xí)是基于人教版必修1 第4 章第1 節(jié)“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”進(jìn)行的，在第2 章講蛋白質(zhì)時(shí)學(xué)生已了解蛋白質(zhì)的功能之一是催化作用，絕大多數(shù)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。在第5、第6 章會(huì)講到呼吸作用、光合作用、細(xì)胞分裂、細(xì)胞衰老凋亡癌變等代謝過(guò)程中都離不開酶的參與，可以說(shuō)酶很好地承接了前面的“蛋白質(zhì)”專題，開啟了后續(xù)“細(xì)胞代謝與生命歷程”的篇章。在這里向?qū)W生講清楚酶的本質(zhì)、酶的活性，對(duì)理解很多生物學(xué)過(guò)程具有非常重要的意義。

本主題的概念如圖1所示，酶在細(xì)胞代謝中降低化學(xué)反應(yīng)的活化能；酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的有催化作用的有機(jī)物，絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)；酶具有高效性、專一性的特性；酶的活性受溫度、pH、抑制劑和激活劑等因素的影響。核心概念是“酶的空間結(jié)構(gòu)影響酶的活性”。通過(guò)“探究茶多酚對(duì)人唾液淀粉酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化和探究能力的提高。

2.2 學(xué)情分析 學(xué)生在第2 章學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，已了解蛋白質(zhì)的功能之一是催化作用。通過(guò)預(yù)習(xí)，學(xué)生也知道酶具有高效性和專一性、作用條件溫和；但一直不能理解酶為什么具有這些特點(diǎn)？生物體內(nèi)的酶到底如何發(fā)揮作用，即催化機(jī)理到底是什么？ 這是本節(jié)課要解決的問(wèn)題。

從化學(xué)反應(yīng)的角度，學(xué)生對(duì)“酶的活性”有一定的直觀了解，也具備了基本的科學(xué)探究能力。學(xué)生助教可幫助教師在實(shí)驗(yàn)課上指導(dǎo)其他學(xué)生。此外，實(shí)驗(yàn)室具有移液器、水浴鍋和分光光度計(jì)等器材。因此，通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生作出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)驗(yàn)證假設(shè)，不斷思考茶多酚是否影響人唾液淀粉酶的活性及其影響機(jī)理是可行的。

2.3 教學(xué)目標(biāo)

1）知識(shí)目標(biāo)：①了解酶的空間結(jié)構(gòu)、外界條件對(duì)酶活性的影響；②了解唾液淀粉酶的催化機(jī)理；③了解分光光度法測(cè)定物質(zhì)含量的原理。

2）能力目標(biāo)：①?gòu)姆肿訉用胬斫饨Y(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生物學(xué)觀點(diǎn)；②讓學(xué)生親歷思考和探究的過(guò)程，領(lǐng)悟科學(xué)探究的一般方法；③掌握對(duì)照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則。

3）情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：①認(rèn)同生物學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)；②認(rèn)同任何生物學(xué)問(wèn)題都可以到分子層面尋找答案；③通過(guò)自主探究，激發(fā)學(xué)生對(duì)生物學(xué)的學(xué)習(xí)熱情；④個(gè)人任務(wù)和小組任務(wù)相結(jié)合，培養(yǎng)既能自主思考又會(huì)團(tuán)隊(duì)合作的人。

2.4 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：①探究影響酶活性的因素；②理解酶的空間結(jié)構(gòu)影響其活性。

2）難點(diǎn)：①探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)；②控制實(shí)驗(yàn)變量。

2.5 課時(shí)安排 2 課時(shí)。

3 教學(xué)實(shí)施

3.1 真實(shí)情境 教師拋出“現(xiàn)代人喜歡喝茶，人們普遍認(rèn)為喝茶有助于減肥，有助于防癌，有助于防治糖尿病等，你認(rèn)為這些常識(shí)有科學(xué)道理嗎？ ”的真實(shí)情境，讓學(xué)生討論并嘗試給出解釋，有的學(xué)生提到綠茶可以抗氧化，可以加速脂肪代謝，應(yīng)該也可以降血糖，但并不能給出科學(xué)解釋［2］。這部分旨在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活中的科學(xué)問(wèn)題。

3.2 提出問(wèn)題 教師引導(dǎo)學(xué)生討論喝茶是否有助于防治糖尿病的核心問(wèn)題，學(xué)生在討論中會(huì)涉及到假如喝茶可以幫助防治糖尿病，需要從淀粉的分解、吸收和利用3 個(gè)角度進(jìn)行研究，需要從分子、細(xì)胞、動(dòng)物3 個(gè)層次進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，先從分子層面開始研究淀粉的分解，將現(xiàn)階段擬解決的首個(gè)問(wèn)題確定為“茶多酚能否影響人唾液淀粉酶的活性”。面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生剝繭抽絲找到突破點(diǎn)。

3.3 查閱文獻(xiàn) 教師提供部分文獻(xiàn)，供學(xué)生課下閱讀并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注淀粉酶的結(jié)構(gòu)和功能，關(guān)注茶多酚的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。學(xué)生在閱讀過(guò)程中遇到的疑問(wèn)，自己進(jìn)一步檢索文獻(xiàn)。最后，每個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)了解決問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)方案。鍛煉學(xué)生搜集資料的能力，提取有效信息的能力。

3.4 作出假設(shè) 面對(duì)自己提出的“茶多酚能否影響人唾液淀粉酶的活性”這一問(wèn)題，教師帶領(lǐng)學(xué)生作出假設(shè)，大部分學(xué)生認(rèn)為茶多酚對(duì)其他淀粉酶有抑制作用，則對(duì)唾液淀粉酶也應(yīng)該是抑制的，少部分學(xué)生認(rèn)為茶多酚可以加速糖的分解代謝，故猜測(cè)是有促進(jìn)作用。旨在鼓勵(lì)學(xué)生大膽思考，根據(jù)已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)提出自己的假設(shè)。

3.5 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 在正式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案之前，教師對(duì)淀粉酶的空間結(jié)構(gòu)、茶多酚的理化性質(zhì)，以及DNS 法檢測(cè)還原性糖的機(jī)理做簡(jiǎn)要說(shuō)明，讓學(xué)生了解絕大多數(shù)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，理解酶的活性、特性是由空間結(jié)構(gòu)決定的，包括溫度、pH、抑制劑、激活劑等外界因素都是通過(guò)影響結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響活性的，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)做好鋪墊。讓學(xué)生結(jié)合個(gè)人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以小組為單位在10 min 內(nèi)討論決定小組實(shí)驗(yàn)方案，而后教師組織學(xué)生在班級(jí)層面討論，確定可行的方案。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1）配體系：

表1 測(cè)酶活反應(yīng)體系

2）反應(yīng)：37℃水浴4 min。

3）終止反應(yīng)：迅速將8 支試管放入100℃滅活處理1.5 min。（注意：一定在第2 步之后迅速將試管轉(zhuǎn)移到100℃水浴鍋中，保證及時(shí)滅活。）

4）檢測(cè)產(chǎn)物：取8 支15 mL 離心管進(jìn)行編號(hào)，向每只離心管中加入500 μL DNS 試劑，吸取250 μL 上述終止反應(yīng)溶液；100℃水浴5 min，向各管內(nèi)補(bǔ)水至7.5 mL 達(dá)到稀釋10 倍的目的，倒入比色皿中，測(cè)定OD540，注意用對(duì)照組進(jìn)行調(diào)零。

5）設(shè)計(jì)表格，記錄數(shù)據(jù)。

3.6 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師一方面指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作，另一方面完成參與度評(píng)價(jià)。為保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行，每個(gè)班級(jí)配備學(xué)生助教，課下負(fù)責(zé)預(yù)實(shí)驗(yàn)、課上指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)同學(xué)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，讓學(xué)生專注實(shí)驗(yàn)本身，等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證結(jié)果與預(yù)設(shè)是否相符，反復(fù)揣摩茶多酚與唾液淀粉酶活性的關(guān)系及其原理。旨在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和認(rèn)真做事的能力。如果學(xué)生實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)失誤或失敗，可在課下繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.7 處理數(shù)據(jù) 每個(gè)小組展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，體會(huì)用數(shù)據(jù)說(shuō)話的重要性，體會(huì)科學(xué)理論的提出必須依賴于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。但有個(gè)別小組的數(shù)據(jù)沒(méi)有任何趨勢(shì)，小組成員討論反思，找出問(wèn)題所在，課后重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

教師講授數(shù)據(jù)處理方法，借助Excel 或Graphpad 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，讓學(xué)生在課后自行處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以圖表的形式呈現(xiàn)，與其他小組的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，思考異同，以培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力。

3.8 分析討論 學(xué)生根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，觀察到隨著茶多酚濃度增加吸光度減少，得出茶多酚對(duì)人唾液淀粉酶是抑制的作用，說(shuō)明喝茶可以減緩淀粉在口腔中的降解，有助于糖尿病的防治。

教師以DBeQ 與ATP 競(jìng)爭(zhēng)，因此抑制Vps4 活性為例［5］，講解小分子抑制劑對(duì)酶活性抑制的機(jī)理，提出茶多酚是如何影響唾液淀粉酶活性的，提示茶多酚是混合物，主要成分是兒茶素，唾液淀粉酶是大分子，學(xué)生分析抑制的可能機(jī)理，理解競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制的異同。一些運(yùn)用于臨床的小分子抑制劑都是納摩爾級(jí)別，本實(shí)驗(yàn)中茶多酚是毫摩爾級(jí)別，為何有數(shù)量級(jí)程度的差別，學(xué)生討論抑制特異性。

圖3 DBeQ 對(duì)Vps4 的抑制作用［5］

最后，茶多酚抑制了唾液淀粉酶活性能從一個(gè)角度說(shuō)明喝茶有助于防治糖尿病，但解決一個(gè)科學(xué)問(wèn)題需要多方面的證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生思考茶多酚是否影響其他淀粉酶的活性，是否影響細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收，是否能在個(gè)體水平上真正幫助控制血糖，布置學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.9 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 教師明確實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫要求，展示以往優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提出針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)在報(bào)告中應(yīng)注意哪些事項(xiàng)。要求學(xué)生在課后獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提高學(xué)生運(yùn)用科學(xué)術(shù)語(yǔ)撰寫學(xué)術(shù)報(bào)告的能力。

3.10 匯報(bào)交流 旨在回顧核心概念，落實(shí)“酶的空間結(jié)構(gòu)影響酶的活性”核心概念。教師指出學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中出現(xiàn)的問(wèn)題，例如摘要寫成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shù)據(jù)圖表無(wú)名稱等。讓學(xué)生展示匯報(bào)自己的實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力。

4 教學(xué)評(píng)價(jià)

教師評(píng)價(jià)，包括教學(xué)反思和調(diào)查問(wèn)卷。

學(xué)生評(píng)價(jià)包括課堂行為、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和作業(yè)練習(xí)3 個(gè)部分。其中，課堂行為評(píng)價(jià)包含對(duì)課前個(gè)人實(shí)驗(yàn)方案、課上小組實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)操作的評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)操作包含完成度、真實(shí)性、實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范、安全性和規(guī)劃合理性5 個(gè)維度。實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)完整性、科學(xué)性、討論充分性、信度效度分析、數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論、摘要書寫、項(xiàng)目?jī)?yōu)化7 個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià)。作業(yè)練習(xí)部分設(shè)置一些開放性的思考題，在解決問(wèn)題過(guò)程中進(jìn)一步落實(shí)知識(shí)學(xué)習(xí)，習(xí)得生物學(xué)思維方法。

5 教學(xué)反思

1）“喝茶是否有助于防治糖尿病”這個(gè)科學(xué)問(wèn)題激起學(xué)生探究熱情，為解決問(wèn)題學(xué)生主動(dòng)查閱文獻(xiàn)、與同伴交流、設(shè)計(jì)方案、分工合作，在此過(guò)程中，知識(shí)學(xué)習(xí)、能力提升和有效社交自然發(fā)生并取得較好的效果，還在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提出了新的問(wèn)題，例如茶多酚對(duì)蛋白酶、脂肪酶的活性有無(wú)影響，左旋肉堿對(duì)淀粉酶活性有無(wú)影響，茶多酚抑制唾液淀粉酶的機(jī)理是什么，兒茶素能不能開發(fā)成藥物防治糖尿病等，這些問(wèn)題在深度和寬度上均有拓展，是進(jìn)一步學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，最重要的是提升了學(xué)生的理性思維能力。

2）茶多酚并不是最理想的淀粉酶抑制劑，因?yàn)椴瓒喾邮腔旌衔?，?duì)很多酶都是有抑制作用的，并不是唾液淀粉酶的特異性抑制劑。酚類物質(zhì)易氧化，學(xué)生操作速度的快慢會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在后續(xù)的教學(xué)中，尋找新的唾液淀粉酶的特異性小分子抑制劑代替茶多酚。此外，可考慮購(gòu)買純品兒茶素，通過(guò)雙倒數(shù)曲線法研究?jī)翰杷貙?duì)唾液淀粉酶的抑制是競(jìng)爭(zhēng)性的還是非競(jìng)爭(zhēng)性的［6］。

3）時(shí)間不可控是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師最難解決的問(wèn)題，例如小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案環(huán)節(jié)花費(fèi)的時(shí)間短就會(huì)導(dǎo)致討論不充分，而時(shí)間長(zhǎng)又會(huì)耽誤后續(xù)環(huán)節(jié)，每個(gè)小組做實(shí)驗(yàn)的速度不一樣，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)失誤需要重復(fù)等。教學(xué)組織原則是寧可慢一點(diǎn)，保證學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的有效性，課下開放實(shí)驗(yàn)室,鼓勵(lì)學(xué)生課后進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生在科研方面的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度。

4）學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量參差不齊，很多學(xué)生認(rèn)為寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告是一件與考試無(wú)關(guān)的事情，但撰寫一份標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)是高中生的必備能力，也為以后的本科學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。通過(guò)示范優(yōu)秀報(bào)告，制定更細(xì)的評(píng)分細(xì)則引導(dǎo)學(xué)生，逐步提高高中生的科學(xué)素養(yǎng)。

5）單元測(cè)試結(jié)果顯示，關(guān)于酶的題目正答率較高，學(xué)生能透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，抓住空間結(jié)構(gòu)與酶的活性的關(guān)系，表明實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種有效的教學(xué)方式。在課程效果調(diào)查問(wèn)卷中，60%的學(xué)生表示生物學(xué)大實(shí)驗(yàn)是自己非常喜歡的學(xué)習(xí)方式，32.5%的學(xué)生表示喜歡，7.5%的表示一般喜歡，沒(méi)有學(xué)生不喜歡，這也鼓舞了教師堅(jiān)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信心。