趙廣宇 汪紹鑫 徐 杰 謝詠梅

（1成都市石室中學(xué) 四川成都 610041 2四川成都武侯區(qū)教科院 四川成都 610041）

1 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

“酶的作用和本質(zhì)”是人教版必修1第5章第1節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，核心任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生從酶的功能、化學(xué)屬性、作用機(jī)理等角度認(rèn)識(shí)酶的本質(zhì)與作用，構(gòu)建“酶”的概念。在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》必修1的內(nèi)容要求中，有關(guān)“酶”的概念是分列在大概念2“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過(guò)分裂實(shí)現(xiàn)增殖”中，是重要概念“細(xì)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(xì)胞的特定區(qū)域”的下位概念，即“說(shuō)明絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)，酶活性受到環(huán)境因素（例如 pH 值和溫度等）的影響”［1］。

圍繞與酶相關(guān)的概念，以“說(shuō)明絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)”為中心，確定本節(jié)課的概念體系如下：

A.酶的化學(xué)本質(zhì)是有機(jī)物

A1.絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)

A1.1酶的發(fā)現(xiàn)史

A1.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證木瓜蛋白酶的化學(xué)屬性是蛋白質(zhì)

A2.少數(shù)RNA也具有生物催化功能

A2.1科學(xué)史料證明某些RNA也具有催化功能

B.酶具有催化作用

B1.酶的催化作用具有高效性

B1.1實(shí)驗(yàn)證明酶具有催化作用，且催化作用具有高效性

B2.酶能顯著降低化學(xué)反應(yīng)的活化能

以上概念間的關(guān)系可用概念結(jié)構(gòu)圖（圖1）表示。

圖1 酶的概念結(jié)構(gòu)圖

2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

1）說(shuō)出細(xì)胞代謝的概念；闡明酶的概念；說(shuō)明酶在細(xì)胞代謝中的作用；建立細(xì)胞的功能是絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞的特定區(qū)域的生命觀念。

2）嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)設(shè)置對(duì)照、控制變量；學(xué)會(huì)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出科學(xué)結(jié)論；體驗(yàn)基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究方法。

3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、資料分析，探究酶的概念內(nèi)涵；領(lǐng)悟基于實(shí)驗(yàn)及生物學(xué)事實(shí)的概念構(gòu)建；學(xué)會(huì)運(yùn)用歸納與概括形成生物學(xué)概念的科學(xué)思維方法。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

教材第5章第1節(jié)的教學(xué)內(nèi)容包括了“酶的作用和本質(zhì)”“酶的特性”，本節(jié)課選擇“酶的作用與本質(zhì)”作為教學(xué)內(nèi)容，目的是引導(dǎo)學(xué)生建立“酶的概念”。

根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生以接受學(xué)習(xí)的方式學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容，能掌握“酶”的概念。但基于引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建概念的需要，筆者嘗試采取實(shí)驗(yàn)探究結(jié)合資料分析的教學(xué)方式，設(shè)計(jì)相應(yīng)的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，以期引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，感知酶的化學(xué)屬性和功能；通過(guò)對(duì)科學(xué)史資料的分析，獲取更多的生物學(xué)事實(shí)，為構(gòu)建“酶的概念”奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在教學(xué)過(guò)程中，以螺旋上升式的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，促使學(xué)生積極主動(dòng)思維，自主構(gòu)建概念，真正領(lǐng)悟概念內(nèi)涵，幫助學(xué)生達(dá)成對(duì)“酶的概念”的理解，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)核心素養(yǎng)的目的。

4 教學(xué)過(guò)程實(shí)施

4.1 學(xué)習(xí)科學(xué)史實(shí)，感知探究歷程

4.1.1 學(xué)習(xí)代謝概念，提出探究問(wèn)題 教師引導(dǎo)學(xué)生首先回顧初中學(xué)習(xí)過(guò)的光合作用等新陳代謝活動(dòng)，其次回憶新陳代謝的概念。在此基礎(chǔ)上，再引出新陳代謝概念的本質(zhì)——細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。提出問(wèn)題：細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)為什么能在常溫、常壓下迅速完成？什么是酶？酶的物質(zhì)屬性是什么？如何知道酶具有催化功能？

4.1.2 感知酶的發(fā)現(xiàn)，探究化學(xué)屬性 教師以教材中“酶的本質(zhì)”部分的“材料分析”內(nèi)容為基礎(chǔ)，并補(bǔ)充部分科學(xué)史實(shí)資料，感受“酶”的發(fā)現(xiàn)歷程（圖 2）。

圖2 酶的發(fā)現(xiàn)歷程

提出問(wèn)題：酶的物質(zhì)屬性是否為蛋白質(zhì)？如何驗(yàn)證？學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)，迅速回答：用雙縮脲試劑檢驗(yàn)。

教師提供木瓜蛋白酶試劑、雙縮脲試劑及器材，由學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)，結(jié)果達(dá)到預(yù)期（圖3）：檢驗(yàn)的樣品出現(xiàn)紫色，證明木瓜蛋白酶的化學(xué)屬性是蛋白質(zhì)。

圖3 木瓜蛋白酶化學(xué)屬性的鑒定

教師提供新的資料：1971年，奧爾特曼用大腸桿菌進(jìn)行tRNA合成的研究，他順利找到了核糖核酸酶P，其功能是切開(kāi)RNA鏈上的磷酸二酯鍵，釋放出最終的tRNA。這種本質(zhì)為RNA的酶能加速反應(yīng)而不被消耗，完全符合酶的特性。1986年，切赫在四膜蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)有一種RNA具有自我剪接的雙向催化作用，具有類似酶的作用，且既表現(xiàn)有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性，在一定條件下能像酶一樣催化寡聚核糖核苷酸底物的切割或連接。其后，其他的科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)更多的具有催化自我剪接功能的RNA［2］。

學(xué)生分析并得出結(jié)論：切赫、奧爾特曼等科學(xué)家在不同的實(shí)驗(yàn)室，用不同的實(shí)驗(yàn)材料均證明某些RNA分子具有生物催化的功能，即具有酶的催化功能。說(shuō)明酶的化學(xué)本質(zhì)主要是蛋白質(zhì)，少數(shù)RNA也具有催化功能。

4.2 設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn)，探究酶的作用

4.2.1 完成教材實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明酶的催化功能？教師指導(dǎo)學(xué)生完成教材實(shí)驗(yàn)“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解速率”，得到預(yù)期的結(jié)果。教師要求學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出結(jié)論。學(xué)生的結(jié)論：過(guò)氧化氫在常溫下能夠分解；加入FeCl3（無(wú)機(jī)催化劑），反應(yīng)速度加快；加入酶（生物催化劑），反應(yīng)速度最快。教師追問(wèn)：3種條件下，反應(yīng)速度差異有多大？學(xué)生認(rèn)為需進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，但不知如何開(kāi)展定量實(shí)驗(yàn)。

4.2.2 運(yùn)用新型裝置，定量測(cè)定速率 教師提供可定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的簡(jiǎn)易裝置（圖4）：在白色塑料瓶中盛裝反應(yīng)液，在瓶口處連接導(dǎo)氣軟管，軟管末端加重使之能沉入水中，待氣泡流速較穩(wěn)定時(shí)計(jì)數(shù)，測(cè)定每分鐘產(chǎn)生的氣泡數(shù)。該裝置材料簡(jiǎn)單易得、方便制作，產(chǎn)生的氣泡速率穩(wěn)定、在水中現(xiàn)象非常明顯，易于觀察計(jì)數(shù)，可在一定程度上定量測(cè)定酶促反應(yīng)的速率。

圖4 測(cè)定酶促反應(yīng)速率的裝置

學(xué)生運(yùn)用該裝置，設(shè)計(jì)了4組對(duì)照實(shí)驗(yàn)：常溫（37℃）、高溫（100℃）、加 FeCl3（無(wú)機(jī)催化劑）、加新鮮豬肝研磨液（過(guò)氧化氫酶），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 不同處理?xiàng)l件下H2O2分解產(chǎn)生氣泡的平均速率

4.2.3 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論 學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：高溫能加速過(guò)氧化氫的分解；無(wú)機(jī)催化劑能進(jìn)一步加速過(guò)氧化氫的分解；酶能顯著加快過(guò)氧化氫的分解。

教師引導(dǎo)學(xué)生深入思考：酶能在常溫、常壓下顯著加快反應(yīng)速度，成為生物體進(jìn)行生命活動(dòng)的良好催化劑，其作用機(jī)理是什么？

4.3 運(yùn)用動(dòng)畫技術(shù)，闡明作用機(jī)理 教師抓住學(xué)生的疑惑，引出活化能的概念：分子從常態(tài)轉(zhuǎn)化為容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)需要的能量。正常狀態(tài)下，只有極少數(shù)的過(guò)氧化氫分子具有足以發(fā)生反應(yīng)的活化能，故常溫下過(guò)氧化氫分解很慢。加熱、氯化鐵、過(guò)氧化氫酶都可加快化學(xué)反應(yīng)，其原理是什么？

教師要求學(xué)生閱讀教材，并巧妙地結(jié)合動(dòng)畫（圖5）進(jìn)行講解：加熱、加壓都是為分子提供能量，獲得能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活化能；無(wú)機(jī)催化劑和酶都是降低化學(xué)反應(yīng)的“門檻”——活化能，加快化學(xué)反應(yīng)速率。正因?yàn)橛忻傅淖饔?，?xì)胞代謝才能在溫和條件下快速進(jìn)行，滿足生命活動(dòng)的需求。

圖5 各種加快化學(xué)反應(yīng)速率的原理動(dòng)畫截圖

4.4 歸納探究結(jié)論，構(gòu)建酶的概念 教師引導(dǎo)學(xué)生在探究性學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，歸納、概括“酶”的概念。1）酶的化學(xué)本質(zhì)：絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。2）酶的功能：能顯著降低化學(xué)反應(yīng)活化能的，起催化作用的物質(zhì)。3）酶的來(lái)源：核糖體或者細(xì)胞核。教師引申出是“活細(xì)胞”。最終構(gòu)建酶的完整定義：酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化功能的有機(jī)物，絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。

5 教學(xué)反思

5.1 挖掘概念內(nèi)涵，豐富概念體系 酶的概念內(nèi)涵豐富，其中酶的作用機(jī)理又較復(fù)雜，學(xué)生自主構(gòu)建概念的難度較大。因此，教師梳理概念各要素之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生從酶的功能、作用機(jī)理、本質(zhì)和來(lái)源等方面多維度探究概念的內(nèi)涵，在感知事實(shí)性知識(shí)的基礎(chǔ)上，自主構(gòu)建酶的概念。

5.2 靈活運(yùn)用教學(xué)手段，逐漸構(gòu)建概念體系 在教學(xué)過(guò)程中，教師采用靈活的教學(xué)手段，依次通過(guò)閱讀教材、分析資料、實(shí)驗(yàn)探究、動(dòng)畫演示等多種形式，有效地激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣和思考的激情，讓學(xué)生獨(dú)立思考，積極合作，親自操作，最終自主構(gòu)建“酶的概念”。