楊彩云 楊遠(yuǎn)媛 沈 璟

（1 北京市對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100102 2 北京市朝陽區(qū)教育研究中心 北京 100028）

學(xué)習(xí)知識是一種持續(xù)不斷的心理構(gòu)建過程，教師在教學(xué)過程中引入真實(shí)情境，帶領(lǐng)學(xué)生親歷知識的形成過程，通過學(xué)生的切身體會(huì)，體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的喜悅，可有效激發(fā)學(xué)生對知識的求知欲。學(xué)生經(jīng)過探究學(xué)習(xí)而獲得對客觀世界的認(rèn)識，有利于深入理解和掌握科學(xué)知識，逐步走向本質(zhì)的探索。生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)明確提出“著眼于學(xué)生適應(yīng)未來社會(huì)發(fā)展和個(gè)人生活的需要，從生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等方面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)”［1］。在“探究影響酶活性的條件”一節(jié)教學(xué)中，以生活中菠蘿“蜇嘴”這一現(xiàn)象作為切入點(diǎn)，將教材知識融入到實(shí)際問題的解決中，將研究“菠蘿‘蜇嘴’怎么辦”作為明線，實(shí)則探究影響酶活性的因素；通過探究溫度對酶活性的影響，學(xué)會(huì)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，并建立科學(xué)探究的一般方法和步驟，最終運(yùn)用科學(xué)思維解決生活中的問題。

1 教材分析

“探究影響酶活性的條件”是人教版高中生物學(xué)教材必修1《分子與細(xì)胞》第5 章第1 節(jié)“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”的內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)要求說明酶活性受到環(huán)境因素（例如pH 值和溫度等）的影響，并建議探究影響酶活性的因素。本節(jié)內(nèi)容包括溫度和pH 值對酶活性的影響等原理性知識點(diǎn)，以及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)原則設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案等問題解決性知識點(diǎn)。這一部分內(nèi)容建立在細(xì)胞學(xué)知識的基礎(chǔ)上，同時(shí)酶是生物體進(jìn)行新陳代謝不可缺少的條件，為后續(xù)學(xué)習(xí)ATP、光合作用和呼吸作用等內(nèi)容做好鋪墊，起著承上啟下的作用。學(xué)生通過有關(guān)酶的探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)獲得的技能，對進(jìn)一步學(xué)習(xí)生物技術(shù)實(shí)踐等知識起到保障作用。本節(jié)內(nèi)容對學(xué)生潛在的知識和能力要求較高，學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用上一節(jié)有關(guān)實(shí)驗(yàn)的知識：自變量、因變量和無關(guān)變量，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對學(xué)習(xí)整個(gè)高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)起著非常關(guān)鍵的作用。

圖1 酶活性及其影響因素的知識結(jié)構(gòu)圖

2 教學(xué)目標(biāo)

1）通過對菠蘿“蜇嘴”這一生活現(xiàn)象的分析，理解細(xì)胞中幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)都是由酶催化的，學(xué)會(huì)運(yùn)用生物學(xué)知識、證據(jù)和邏輯解決生活中的實(shí)際問題。

2）通過評價(jià)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)會(huì)控制變量的科學(xué)方法，能設(shè)置自變量、控制無關(guān)變量、觀察和檢測因變量，從中學(xué)會(huì)如何基于實(shí)驗(yàn)原則和邏輯分析作出合理的判斷。

3）根據(jù)獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)生成曲線，并通過分析相關(guān)曲線，說明溫度對酶活性的影響，培養(yǎng)分析、歸納和總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。

4）通過小組合作完成溫度對菠蘿酶活性影響的實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過程，掌握科學(xué)探究的思路和方法，發(fā)展團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

3 教學(xué)策略的選擇及教學(xué)流程設(shè)計(jì)

本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)為：1）“溫度對酶活性影響”實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)；2）高、低溫對酶活性影響的本質(zhì)。美國教育心理學(xué)家布魯姆將教育目標(biāo)分為6 個(gè)層次：識記、理解、應(yīng)用、分析、評估和創(chuàng)造。高一學(xué)生剛開始接觸對照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法和原則，應(yīng)用相關(guān)知識解決問題的能力及知識遷移能力尚不足，還無法達(dá)到“創(chuàng)造”的層次，因此，為突破教學(xué)難點(diǎn)1，教師首先引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)自變量和因變量，然后給出2 個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生通過分組討論對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評價(jià)，不僅為學(xué)生的學(xué)習(xí)搭建充足的臺階，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生獲取、分析及判斷信息的能力。為解決難點(diǎn)2，教師首先引導(dǎo)學(xué)生對高、低溫對酶活性影響的本質(zhì)作出假設(shè)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，然后展示經(jīng)高、低溫處理后酶活性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能直觀地理解高、低溫影響酶活性本質(zhì)的不同。

根據(jù)科學(xué)研究的一般思路，本節(jié)課設(shè)計(jì)從情境中發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施并驗(yàn)證假設(shè)、分析數(shù)據(jù)，最后交流討論得出結(jié)論。問題解決作為高階思維能力，是學(xué)生發(fā)展的核心能力。為提高學(xué)生知識遷移和問題解決能力，在得出溫度對酶活性影響的規(guī)律后，讓學(xué)生應(yīng)用相關(guān)知識自主探究“生活中鹽水浸泡菠蘿”的科學(xué)性，最終引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)得出科學(xué)探究的一般步驟，具體教學(xué)流程如圖2 所示。

圖2 教學(xué)流程示意圖

4 教學(xué)過程

4.1 設(shè)置情境，合理假設(shè) 在上課之前，教師事先為學(xué)生準(zhǔn)備“蜇嘴”的菠蘿讓學(xué)生品嘗，學(xué)生在吃菠蘿的過程中體會(huì)到刺嘴的痛感。教師引導(dǎo)“生活中將這種輕微的痛感稱為‘蜇嘴’”，進(jìn)而提出本節(jié)課的課題——菠蘿“蜇嘴”怎么辦？并出示資料1。

資料1：研究表明，菠蘿含有一種稱為菠蘿蛋白酶的物質(zhì)。菠蘿蛋白酶可分解蛋白質(zhì)，使其變?yōu)樾》肿佣嚯幕虬被?。?dāng)人們將菠蘿放入口中時(shí)，蛋白酶就會(huì)分解口腔中脆弱的黏膜，從而產(chǎn)生輕微的痛感。

學(xué)生通過資料1，了解菠蘿“蜇嘴”是由于菠蘿蛋白酶的作用，教師提問：為什么新鮮菠蘿“蜇嘴”而菠蘿罐頭不“蜇嘴”？學(xué)生通過生活常識能很快意識到菠蘿罐頭經(jīng)過高溫處理，很可能是高溫使菠蘿蛋白酶失活從而不再“蜇嘴”，由此提出假設(shè)：溫度會(huì)影響菠蘿蛋白酶的活性。

4.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)假設(shè) 通過上面的分析可知，本實(shí)驗(yàn)的目的是探究溫度對菠蘿蛋白酶活性的影響。教師講解實(shí)驗(yàn)原理［2］（圖3）并提問：如何測定菠蘿蛋白酶的活性？學(xué)生經(jīng)思考發(fā)現(xiàn)，可通過測定反應(yīng)物的消耗量或產(chǎn)物的生成量反映酶的活性，因此，可測定酪蛋白的消耗量或酪氨酸的生成量。教師補(bǔ)充必要的實(shí)驗(yàn)原理，將問題分解成學(xué)生能理解和完成的問題，學(xué)生從中掌握解決問題的思路和方法，構(gòu)建探究酶活性的研究模型。

圖3 菠蘿蛋白酶活性測量的實(shí)驗(yàn)原理

高一學(xué)生剛學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，對于原則的應(yīng)用仍然存在問題，因此，本節(jié)課教師先給出2個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案（圖4），一方面培養(yǎng)學(xué)生分析、表達(dá)及評價(jià)的能力，另一方面起到示范、引領(lǐng)的作用，為學(xué)生后續(xù)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)搭建腳手架。

圖4 溫度對菠蘿蛋白酶活性的影響實(shí)驗(yàn)方案比較

學(xué)生在評價(jià)的過程中發(fā)現(xiàn)，方案2 中對照組的設(shè)置要優(yōu)于方案1，因?yàn)榉桨? 對照組與實(shí)驗(yàn)組加入的3 種物質(zhì)相同，僅改變了加樣的順序，對照組加入菠蘿蛋白酶后再加入三氯乙酸，此時(shí)三氯乙酸將菠蘿蛋白酶沉淀，菠蘿蛋白酶失活，因此，方案2 中實(shí)驗(yàn)組和對照組的變量為菠蘿蛋白酶的活性，從而減少了誤差。教師引導(dǎo)學(xué)生討論方案1 和方案2 中的實(shí)驗(yàn)步驟，是先將酪蛋白、菠蘿酶分別保溫再混合，還是先將酪蛋白、菠蘿蛋白酶混合后再保溫？學(xué)生經(jīng)討論后發(fā)現(xiàn)，如果先混合，在混合的一瞬間菠蘿蛋白酶開始水解酪蛋白，此時(shí)溫度尚未到達(dá)設(shè)置的反應(yīng)溫度，因此，應(yīng)先在相應(yīng)的溫度下保溫，當(dāng)達(dá)到設(shè)置的反應(yīng)溫度后再將酪蛋白、菠蘿蛋白酶混合。

4.3 分析數(shù)據(jù)，揭示原理 因課堂時(shí)間有限，為了讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)過程，親眼看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師事先準(zhǔn)備好在0℃、40℃、80℃條件下反應(yīng)產(chǎn)生的酪氨酸，學(xué)生加入福林酚試劑，對不同溫度下產(chǎn)生的酪氨酸進(jìn)行顯色，結(jié)果能很明顯地觀察到在40℃溶液顏色較深。通過pH 試紙需要與比色卡進(jìn)行比對，學(xué)生能很快明白可利用比色法將溶液顏色轉(zhuǎn)變成數(shù)值。為便于直觀分析，教師引導(dǎo)學(xué)生在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，并將數(shù)值轉(zhuǎn)換成曲線，各小組在黑板上展示數(shù)值和曲線。教師繼續(xù)提問:每個(gè)小組繪制的曲線有差別應(yīng)怎么辦？根據(jù)平行重復(fù)原則，學(xué)生發(fā)現(xiàn)各小組的同一溫度點(diǎn)相當(dāng)于平行樣，因此，可取平均值以減小誤差。此時(shí)，教師出示興趣小組做的在0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)置的溫度梯度變小時(shí)，有些溶液顏色難辨深淺。教師借機(jī)介紹分光光度計(jì)測量溶液濃度的原理，并展示興趣小組最后得到的曲線（圖5）。

圖5 不同溫度對菠蘿蛋白酶活性的影響曲線

通過觀察曲線，學(xué)生發(fā)現(xiàn)曲線有一個(gè)最高點(diǎn)，此時(shí)菠蘿蛋白酶活性最高，從而主動(dòng)構(gòu)建“最適溫度”的概念。教師提問：能否說40℃是菠蘿蛋白酶的最適溫度？學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的溫度跨度太大，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)才能確定最適溫度。通過分析，學(xué)生得出結(jié)論：在最適溫度下，菠蘿蛋白酶活性最高。溫度偏高或偏低都會(huì)影響菠蘿蛋白酶的活性?！案邷睾偷蜏貙γ富钚缘挠绊懕举|(zhì)相同嗎？如何證明？”教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深挖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究高溫、低溫對酶影響的本質(zhì)，通過組內(nèi)交流、組間互動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生深入思考，并以此提出假設(shè)。教師展示興趣小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識。

4.4 應(yīng)用原理，解決問題“生活中用鹽水浸泡菠蘿，其作用原理是否一樣？如何驗(yàn)證？”通過之前“探究溫度對菠蘿蛋白酶活性的影響” 的示范引領(lǐng)作用，結(jié)合真實(shí)情境，檢測學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識分析、解決實(shí)際問題的能力，而不是對科學(xué)知識的簡單記憶。教師展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖6），學(xué)生分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。在此環(huán)節(jié)中，有的學(xué)生提出質(zhì)疑：從曲線分析，食鹽不一定抑制菠蘿蛋白酶的活性，也有可能使其失活。教師借機(jī)提問：若要探究食鹽能否使菠蘿蛋白酶失活，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？此問題仍然考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析能力。若時(shí)間不充裕，也可作為課后思考題。現(xiàn)代心理學(xué)認(rèn)為，一切思維都是從問題開始的。學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，應(yīng)當(dāng)從問題意識的培養(yǎng)入手。成功的教學(xué)應(yīng)當(dāng)是使學(xué)生產(chǎn)生問題意識并能自主解決問題［3］。本環(huán)節(jié)中學(xué)生自主提出問題并解決，可見是一次成功的教學(xué)。

圖6 不同鹽濃度對菠蘿蛋白酶活性的影響曲線

由于pH 值對酶活性的影響曲線與溫度對酶活性的影響曲線的趨勢一致，因此，本節(jié)課重點(diǎn)分析了溫度對酶活性的影響。最后，通過“還有哪些方法能防止菠蘿‘蜇嘴’”這一問題，小結(jié)使酶失活的方法。學(xué)生結(jié)合之前的預(yù)習(xí)及生活常識，知道過酸或過堿也能使酶失活，因此，提出加鹽、加開水、加醋（酸）、加小蘇打（堿）都能防止菠蘿“蜇嘴”。此環(huán)節(jié)有利于學(xué)生擴(kuò)展知識的應(yīng)用，提高舉一反三的能力。

4.5 歸納總結(jié)，拓展提高 最后，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出科學(xué)探究的一般步驟：提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、合作交流、得出結(jié)論，從而構(gòu)建解決問題的一般思路和方法。哪種方法處理的菠蘿風(fēng)味最佳？教師準(zhǔn)備了經(jīng)相應(yīng)處理的菠蘿，請學(xué)生課后品嘗并投票，從而驗(yàn)證是否經(jīng)過這些處理后菠蘿就不再“蜇嘴”了。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課是在新情境中，基于生活問題引入，全篇貫穿真實(shí)問題的解決。從真實(shí)問題中提煉關(guān)鍵信息，融入酶的特性等相關(guān)知識，最終用于真實(shí)問題的解決。學(xué)生從一開始面對生活問題的無從下手，到面對真實(shí)復(fù)雜問題，逐層分析，剝離現(xiàn)象看本質(zhì)；不但在解決真實(shí)問題中學(xué)會(huì)了新知識，同時(shí)掌握了研究科學(xué)問題的一般思路和方法。從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的角度分析，學(xué)生若能從中體驗(yàn)到活動(dòng)的意義，切身感受到知識構(gòu)建的魅力所在，逐漸構(gòu)建自己的思維模式，他們在學(xué)習(xí)過程中，則會(huì)更加主動(dòng)，最終達(dá)到加速知識內(nèi)化的效果。

需要指出的是，探究“溫度對酶活性的影響”有2 種方法：一種是將酶與底物混合后，在不同溫度下反應(yīng)一段時(shí)間后，測定產(chǎn)物濃度，繪制溫度-活性曲線，確定最適溫度；另一種是將酶在不同溫度下處理一定時(shí)間，在常溫下測定酶的活性，繪制溫度-活性曲線，分析酶的熱穩(wěn)定性。本節(jié)課使用第1 種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但教學(xué)過程開始時(shí)設(shè)置的情境（菠蘿罐頭不“蜇嘴”）則適用于第2 種研究方法。

本節(jié)課仍然有許多可繼續(xù)探究之處，例如，食鹽對菠蘿蛋白酶是抑制作用還是使其失活？如何通過基因改造獲得不“蜇嘴”的菠蘿？可引導(dǎo)興趣小組課后查閱資料繼續(xù)進(jìn)行探究。