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》的實驗教學(xué)為例，從多個角度優(yōu)化實驗教學(xué)，進而實現(xiàn)對生物學(xué)重要概念的建構(gòu)。

[關(guān)鍵詞]實驗教學(xué);重要概念;化學(xué)反應(yīng)活化能;酶

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）08-0086-02

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，通過實驗來研究和認識事物是生物學(xué)的突出特征，離開了實驗，生物學(xué)的概念、原理也就失去了基礎(chǔ)。實驗教學(xué)是生物學(xué)課程的特點，是生物學(xué)教學(xué)的基本形式之一?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標準（2017年版）》強調(diào)“要高度關(guān)注教學(xué)過程中的實踐，通過探究實驗加深學(xué)生對生物學(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，此課有一個重要的實驗：比較過氧化氫在不同條件下的分解，這是一個驗證性實驗，目的是驗證過氧化氫酶在細胞代謝中的作用。實驗的內(nèi)容和對象都是規(guī)定好的，照著課本按部就班地做實驗即可。這種“配方”式的實驗教學(xué)能夠呈現(xiàn)生物學(xué)事實，但缺少學(xué)習(xí)的樂趣。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，是知識的主動建構(gòu)者，只有在學(xué)生積極參與時，建構(gòu)活動才可能發(fā)生。教學(xué)活動中應(yīng)當喚起學(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》的實驗教學(xué)，以促進學(xué)生建構(gòu)重要概念。

一、重要概念的認識

重要概念是處于學(xué)科中心位置，對學(xué)生學(xué)習(xí)具有引領(lǐng)作用的基礎(chǔ)知識，它能夠?qū)⒘闵⒌闹R系統(tǒng)化和條理化。生物學(xué)的重要概念應(yīng)該是學(xué)生在將來遺忘了一些學(xué)過的具體生物學(xué)事實后，仍能長時間保留的主干知識，包括對生物學(xué)原理、理論等的理解和解釋?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標準（2017年版）》明確提出“教師在設(shè)計和組織每個單元的教學(xué)活動時，應(yīng)該圍繞大概念和重要概念展開”“所有的教學(xué)活動都要有利于促進學(xué)生對生物學(xué)概念的建立、理解和應(yīng)用”。認真分析和梳理《降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶》第一課時，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、無關(guān)變量）、對照實驗（對照組、實驗組）等。

二、實驗教學(xué)的設(shè)計

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出探究性問題

教師先引入俗語“人是鐵，飯是鋼，一頓不吃餓得慌”，再設(shè)計探究性問題“營養(yǎng)物質(zhì)中的能量是如何被細胞所利用的？這些能量的最終源頭是如何進入細胞的？”，接著闡述“對細胞來說，能量的供應(yīng)和利用都必須經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，細胞中每時每刻都進行著許多化學(xué)反應(yīng)，統(tǒng)稱為細胞代謝，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：“視頻中的農(nóng)作物在噴灑了酶溶液后為何能夠長得如此巨大？酶在細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)計意圖：聯(lián)系生活實例引入，利用合理的視頻資源，抓住學(xué)生的興趣點創(chuàng)設(shè)問題情境，以吸引學(xué)生的注意力，促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)。

2.問題驅(qū)動，設(shè)計探究性實驗

教師講解：細胞代謝是細胞生命活動的基礎(chǔ)，但在細胞代謝過程中會產(chǎn)生對細胞有害的物質(zhì)，如過氧化氫。細胞中有一種叫過氧化氫酶的物質(zhì)可將其分解為水和氧氣（化學(xué)反應(yīng)式：H2O2→H2O+O2）。請學(xué)生思考：（1）該反應(yīng)在常溫下能進行嗎？如何通過實驗進行檢驗？（2）有哪些方法可以加快該反應(yīng)的速度？如何通過實驗進行檢驗？說出具體的實驗操作方法。（3）通過什么現(xiàn)象（或方法）可以檢測反應(yīng)速度的快慢？

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

教師繼續(xù)提出問題：細胞中的過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)：可能與加入無機催化劑的情況相似，因為細胞中的過氧化氫需及時分解，而細胞不能通過加熱來提高反應(yīng)速率。

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，將實驗材料（選用富含過氧化氫酶的組織）加入到過氧化氫溶液中，并觀察現(xiàn)象。最后以小組為單位補充表1的實驗步驟，并進行相關(guān)實驗，在表1中記錄實驗結(jié)果。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過初中化學(xué)的學(xué)習(xí)對過氧化氫的分解這一過程較為熟悉。教師針對“過氧化氫酶的作用”這一重要概念，提出探究性問題“細胞中的過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)并進行實驗檢驗，最后得出加熱、加催化劑能夠加快反應(yīng)速率。教學(xué)設(shè)計自然而又不失趣味。鑒于學(xué)生對探究性實驗的一般過程有初步的了解，但要獨立完成實驗步驟的設(shè)計難度極大，因此上述教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生對表格實驗步驟進行補充以降低實驗設(shè)計難度，幫助學(xué)生有效突破學(xué)習(xí)難點，最后通過學(xué)生分組實驗，提高學(xué)生的實驗動手能力以及分析與設(shè)計實驗的能力。

在學(xué)生完成實驗的基礎(chǔ)上，教師繼續(xù)提出問題：（1）4支試管在實驗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值的改變對酶的催化作用有何影響？教師追問：所提問題中的自變量分別是什么？（2）在2、3、4號試管中為何加入質(zhì)量分數(shù)為5%的過氧化氫的量也為2 mL？（3）還有哪些因素會對實驗結(jié)果造成影響？這些因素是否是本實驗需要研究的？如何避免它們對實驗結(jié)果造成的干擾？

學(xué)生小組討論上述問題，并在教師的指導(dǎo)下從表1中指出實驗中的自變量、因變量、無關(guān)變量、對照組、實驗組。

設(shè)計意圖：學(xué)生在補充表格中實驗步驟的過程中，已嘗試對變量進行控制。通過第一個問題幫助學(xué)生理解自變量以及對照實驗，再通過兩個問題情境及時鞏固和加深學(xué)生對“自變量”這一重要概念的理解。通過第二個問題使學(xué)生了解無關(guān)變量，最后通過一系列層層遞進的問題串，引發(fā)學(xué)生思考并促進學(xué)生深刻理解無關(guān)變量并非與實驗“無關(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)生分析實驗現(xiàn)象，提出問題：與1號試管相比，2號試管出現(xiàn)什么現(xiàn)象？這一現(xiàn)象說明什么？學(xué)生回答：加熱能夠加速過氧化氫的分解。教師繼續(xù)追問：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，但常溫下一般不會自燃，只有在點火后才能燃燒。請思考加熱為何能提高化學(xué)反應(yīng)速率。

接著引導(dǎo)學(xué)生進一步思考：比較1、3、4號試管中出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象，分析對實驗的假設(shè)是否成立。學(xué)生沿著探究實驗的步驟分析交流實驗結(jié)果，得出結(jié)論：酶與無機催化劑相似，具有催化作用，且酶的催化作用更顯著。

教師呈現(xiàn)表2，請學(xué)生根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析并回答催化作用的機理，說出酶與無機催化劑相比催化作用更顯著的原因。假定圖1為常溫下過氧化氫分解過程中的能量變化，請以小組為單位討論在加熱、加無機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），進行交流。

設(shè)計意圖：不同條件下過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，采用“汽油燃燒”這一生活案例，便于學(xué)生理解;處理加無機催化劑和過氧化氫酶的條件時，給出具體的活化能數(shù)據(jù)，科學(xué)直觀。引導(dǎo)學(xué)生進行小組討論，將各條件下作用的機理繪制成數(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)實驗課中，教師對教材上的驗證性實驗加以優(yōu)化，巧妙設(shè)計系列問題引發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生對實驗進行深入探究，并且通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)進行分析。在這種帶著解決問題的目的去設(shè)計、進行及分析的實驗教學(xué)中，學(xué)生是知識的主動建構(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? ?]

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

（責任編輯 黃春香）