朱滿員
摘要 圍繞酶的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中反應(yīng)類型和檢測方法的選擇及其本質(zhì)與原理的剖析,充分運(yùn)用了歸納演繹、評價(jià)比較、綜合分析、批判反思等科學(xué)思維,建構(gòu)概念,提煉觀念,落實(shí)了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。
關(guān)鍵詞? 科學(xué)思維酶活性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
中圖分類號 G633.91????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B
文件編號:1003-7586(2023)03-0081-03
科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù),崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度,運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。主要指歸納演繹能力、問題求解能力、決策力和批判力等,也是學(xué)生面對未來需要通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的關(guān)鍵能力??茖W(xué)思維能力只能在高階思維過程中得到培養(yǎng),需要情境、載體來落實(shí),高中浙科版生物學(xué)教材中與酶有關(guān)的實(shí)驗(yàn)——探究酶的高效性、探究酶的專一性、探究溫度與PH對酶活性的影響,以及驗(yàn)證酶的催化作用,酶的化學(xué)本質(zhì)和酶的固定化等,其因復(fù)雜多變的情境,需要運(yùn)用演繹推理、比較選擇、綜合分析、評價(jià)批判等能力,是科學(xué)思維得以產(chǎn)生和發(fā)展的完美載體。
1? 歸納演繹法的體現(xiàn)
歸納和演繹是科學(xué)研究中運(yùn)用最為廣泛的邏輯思維方法。歸納是從個(gè)別到一般的認(rèn)識過程,而演繹則是從一般到個(gè)別的推理過程,演繹的一般知識往往來源于經(jīng)驗(yàn)的歸納。如在酶的發(fā)現(xiàn)史教學(xué)中,薩姆納首次提純并證明酶是一種蛋白質(zhì),后繼又提純了其他的酶,并證實(shí)都是蛋白質(zhì)。所以酶曾經(jīng)的定義是“活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的蛋白質(zhì)”。后因核酶的發(fā)現(xiàn),酶的定義修改為“由活細(xì)胞產(chǎn)生的一類生物催化劑,大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)”。這是基于歸納法得出的結(jié)論。既然大多數(shù)酶是蛋白質(zhì),那么酶應(yīng)具有蛋白質(zhì)的所有特性:蛋白質(zhì)具有多樣性,酶也應(yīng)有多樣性;蛋白質(zhì)有專一性,酶同樣應(yīng)有專一性;蛋白質(zhì)的作用方式就是酶的作用機(jī)理;蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)易受溫度、 PH 值及某些金屬離子的影響,酶也應(yīng)亦然。由蛋白質(zhì)的一般特性推導(dǎo)出酶的特性,這就是演繹法在科學(xué)探究中的應(yīng)用。
日常生活中的所謂“經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”及“據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷”就是一種歸納法與演繹法的“本土化”,人們常運(yùn)用而不自知,這就需要教師來“捅破窗戶紙”,酶的教學(xué)就是這個(gè)契機(jī),而不是等到孟德爾定律才開始讓學(xué)生了解“演繹推理法”。而且,越早掌握這種思維方法,學(xué)生就能越早受益,因?yàn)檠堇[推理保證推理有效的依據(jù)并不在于它的內(nèi)容,而在于它的形式,即它對人的思維保持嚴(yán)密性、一貫性有著不可替代的校正作用。
2 比較評價(jià)權(quán)衡的運(yùn)用
“極好”與“極差”是很容易選擇的,但在現(xiàn)實(shí)中常需要做的是“兩害相權(quán)或兩益相權(quán)”。深入理解是理性決策的前提,在有限的時(shí)間內(nèi)理解信息并做出決策,是學(xué)生面對信息時(shí)代所必需的“心智技能”。在驗(yàn)證酶特性的多種實(shí)驗(yàn)方案中,培養(yǎng)學(xué)生的權(quán)衡決策能力是其中的重點(diǎn)之一。如驗(yàn)證酶專一性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中就涉及實(shí)驗(yàn)方案的選擇(表1)。學(xué)生需要分析表中2個(gè)方案哪個(gè)可行還是都可行?為什么?若實(shí)驗(yàn)?zāi)康母臑椤疤骄棵笇R恍浴眲t實(shí)驗(yàn)方案是否相同?如果實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑俑臑椤膀?yàn)證淀粉酶具有專一性”呢?
這里的思考難點(diǎn)是:需要先比較“驗(yàn)證酶專一性”“探究酶專一性”以及“探究淀粉酶的專一性”之間的區(qū)別,再權(quán)衡實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方案的匹配度。不同的實(shí)驗(yàn)方案服務(wù)于不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?yàn)證酶專一性,是基于酶專一性的定義,即一種酶只能催化一種底物或少數(shù)幾種相似底物的反應(yīng)。方案1中通過證實(shí)淀粉酶只能分解淀粉不能分解蔗糖,即淀粉酶具有專一性,從而不完全歸納出酶具有專一性;而方案2則通過證明淀粉酶能分解淀粉,而以蔗糖酶為代表的其他酶不行,從另一角度不完全歸納了酶具專一性。因此,“驗(yàn)證酶專一性”時(shí),方案1、2都可行。由此可得,要驗(yàn)證淀粉酶具有專一性,只能用方案1而不能用方案2,因?yàn)榉桨?沒有證明淀粉酶不能分解其他物質(zhì)。如果將實(shí)驗(yàn)?zāi)康母臑椤疤骄棵傅膶R恍浴?,原則上應(yīng)將細(xì)胞中所有的酶都做一遍才能證明酶具專一性——完全歸納。但這是不可能的任務(wù),只能不完全歸納地選兩種酶——淀粉酶、蔗糖酶來演繹探究。即在這里,“探究酶專一性”等同于“驗(yàn)證酶專一性”。正是基于此,教材中包括空白對照,共設(shè)置6支試管,將方案1與方案2進(jìn)行合并。
此外,探究酶專一性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還涉及檢測試劑的選擇:從檢測的底層邏輯考慮,本實(shí)驗(yàn)可選的檢測試劑有碘液與本尼迪特試劑,是“二選一”還是兩者都可?不行理由是什么?教學(xué)意圖是:①闡明檢測方法的底層邏輯,提升學(xué)生分析與解決問題的能力。②討論這2種檢測試劑在不同方案中的適用性,著重分析“落選”理由。③增加嚴(yán)謹(jǐn)性。本尼迪特試劑適用的一個(gè)前提是反應(yīng)物不具還原性,設(shè)置空白對照的必要性就不言自明。若更嚴(yán)謹(jǐn)起見,還需要檢測酶溶液的還原性,甚至檢測淀粉、蔗糖及相應(yīng)酶的純度,以防出現(xiàn)假陽性。
在后續(xù)“探究PH或溫度對酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,同樣涉及實(shí)驗(yàn)方案、檢測方法與試劑的選擇。比較權(quán)衡能力的培養(yǎng),需要像分析實(shí)驗(yàn)方案與檢測方法一樣,既要引導(dǎo)學(xué)生去分析選擇的理由,也要分析不選的理由。有時(shí)是“長板”決定了選擇權(quán)重,有時(shí)卻是“短板”造成了“一票否決”。深入理解,多方權(quán)衡才能作出相對正確的選擇,這也是綜合素養(yǎng)中高質(zhì)量地認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的重要體現(xiàn)。
3 質(zhì)疑與批判的養(yǎng)成
科學(xué)思維的基本特點(diǎn)是以實(shí)證為判別尺度、以邏輯作論辯的武器、以懷疑作審視的出發(fā)點(diǎn)??茖W(xué)思維不僅是對外的,即認(rèn)識世界的方式,科學(xué)思維還是對內(nèi)的,即對自己的認(rèn)知。所以,沒有習(xí)慣于對自己認(rèn)知的質(zhì)疑與批判,科學(xué)思維的起點(diǎn)就不復(fù)存在,嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)、謙遜的求知態(tài)度,也是“毛將焉附”。酶的本質(zhì)與特性的探究過程本身,就是學(xué)生思考與質(zhì)疑、分析與批判的對象。如驗(yàn)證酶特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué),從依據(jù)“酶絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)”推理出“酶具有專一性”“溫度或PH值會影響酶的活性”的特點(diǎn);依據(jù)酶與無機(jī)催化劑的作用機(jī)理比較,即“無機(jī)催化劑通過與底物反應(yīng)讓一個(gè)活化能高的慢反應(yīng)變成了若干個(gè)活化能低的快反應(yīng)來加快反應(yīng)速率的,而酶與底物結(jié)合后,不僅活化了底物分子還大大增加了底物分子間的有效碰撞,因此酶的催化效率會比無機(jī)催化劑高很多”推理出酶具高效性??稍俸侠淼耐评硪矁H是一種推測,一種推測要上升為科學(xué)觀點(diǎn),不僅要求推理過程是合邏輯的,還要有可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來支持。所以教材便安排“探究酶的專一性”“探究酶催化的高效性”和“探究 PH 對過氧化氫酶的影響”的探究活動(dòng)。崇尚“實(shí)證”,且是基于生物學(xué)學(xué)科認(rèn)同的研究方法,可預(yù)測、可量化、可重復(fù)的實(shí)證,使得科學(xué)思維有別于其他思維。理解教材的編排意圖以及實(shí)證之于科學(xué)思維的意義,依托“從依據(jù)推理出觀點(diǎn),再為觀點(diǎn)尋求實(shí)證”的論證模式設(shè)計(jì)教學(xué)流程,教師就會有意識地去挖掘?qū)嶒?yàn)背后的批判意識,即與其等別人挑刺,還不如自行批判,而不僅僅是跟著試題與教輔材料走。
批判的意識與能力就是在對知識的批判性認(rèn)識和理解過程中形成的,因而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是養(yǎng)成質(zhì)疑與批判習(xí)慣的最佳途徑。畢竟,有質(zhì)疑才會去追求科學(xué)的實(shí)證,幫助學(xué)生去“親歷”知識的發(fā)現(xiàn)與建構(gòu)過程,本身也是深度學(xué)習(xí)過程。
4 教學(xué)感悟
酶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)專題是在浙科版(2019版)必修一教材的基礎(chǔ)上又拓展了“驗(yàn)證酶是催化劑”“酶的固定化”等實(shí)驗(yàn),內(nèi)容多,綜合性強(qiáng),基本作為酶的專題復(fù)習(xí)之用。而對酶本質(zhì)與特性探究過程的“復(fù)盤”與“泡發(fā)”不僅幫助學(xué)生完善酶的知識體系,建構(gòu)關(guān)于酶概念的完整認(rèn)知,還實(shí)現(xiàn)了從概念到觀念,從能力到素養(yǎng)的升遷。
4.1從概念到觀念
某種概念的形成既需要比較與分類、歸納與演繹,也可能是分析與綜合、抽象與概括的結(jié)果。一個(gè)觀念的形成同理也需要許許多多概念的積累。本專題的重要概念當(dāng)然是“酶是生物催化劑”,下層概念是“絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)”“酶具有專一性和高效性”以及“酶的催化功能受多種條件的影響”。這些概念都是在解決一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程中,逐步概括形成的。但止步于此,學(xué)生較難去考慮酶為何具有這些特性。如“酶的催化功能受多種條件(PH、溫度、輔酶等)的影響”,此特性怎么看都象是酶的“缺點(diǎn)”。但這真的是酶的“設(shè)計(jì)缺陷”嗎?恰恰是酶易受內(nèi)外多種因素的影響,加之細(xì)胞中的一切代謝反應(yīng)都置于酶的催化之下,調(diào)節(jié)酶的數(shù)量與活性便是細(xì)胞調(diào)節(jié)其生命活動(dòng)的“不二法門。也就是說,是自然界選擇了酶易受多種因素影響的特點(diǎn),使得細(xì)胞的代謝能“隨境應(yīng)變”。獨(dú)特的進(jìn)化視角使酶的“缺點(diǎn)”變成了“優(yōu)點(diǎn)”。著名的生物學(xué)家杜布贊斯基曾說過,若無進(jìn)化之光,生物學(xué)毫無道理。可見,進(jìn)化論既是一種認(rèn)知結(jié)論,也是一種認(rèn)知方式,還是生物學(xué)學(xué)科獨(dú)有的、最有價(jià)值的生命觀念。讓學(xué)生學(xué)會運(yùn)用進(jìn)化論的觀點(diǎn)解釋生命現(xiàn)象,不僅是科學(xué)思維、深度學(xué)習(xí)的重要體現(xiàn),也是形成生命觀念的重要途徑。
在解釋酶特性及輔酶存在意義中體現(xiàn)了進(jìn)化與適應(yīng)觀、生命的整體觀。除此之外,還運(yùn)用了跨學(xué)科的觀念:①結(jié)構(gòu)與功能觀。如酶的催化功能取決于酶的空間結(jié)構(gòu)。②比較與權(quán)衡觀。如有關(guān)酶特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都是在不同實(shí)驗(yàn)方案、不同反應(yīng)類型及不同的檢測方法之間進(jìn)行比較與權(quán)衡,從而選擇最優(yōu)方案。酶的固定化方案也是在不同介質(zhì)、不同固定方法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)之間比較出最優(yōu)解。③底層邏輯觀。所謂底層邏輯,就是從事物的底層、本質(zhì)出發(fā),尋找解決問題路徑的思維方法。反應(yīng)檢測試劑的選擇、固定化酶方法的選擇都是從其底層邏輯出發(fā)來確定思考方向的。這些跨學(xué)科觀念的運(yùn)用也有助于學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí),更是深度學(xué)習(xí)的標(biāo)志。
4.2從能力到素養(yǎng)
能解決某個(gè)特定問題,是能力。能將解特定的問題的能力應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、教學(xué)等多領(lǐng)域,便是素養(yǎng)。素養(yǎng)可以看作是學(xué)識與能力的遷移,一旦習(xí)得終身受益。在“酶是生物催化劑”的教學(xué)中,學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的實(shí)操能力固然重要,而且在科學(xué)發(fā)展的早期,生物學(xué)的許多理論都源于觀察與實(shí)驗(yàn)。但隨著科學(xué)理論的豐富,現(xiàn)在更多的是理論去指導(dǎo)觀察,觀察無不滲透著理論。所以,讓高中生學(xué)會對實(shí)驗(yàn)背后的原理進(jìn)行綜合分析、比較權(quán)衡、質(zhì)疑批判,更能涵養(yǎng)與豐富學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。酶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)從進(jìn)化論到跨學(xué)科觀念的應(yīng)用,及許多的“為什么可以”“為什么不可以”“更好的方案是什么”等一系列問題的討論都是培養(yǎng)科學(xué)思維能力的“著力點(diǎn)”。所以,能力的培養(yǎng)、素養(yǎng)的養(yǎng)成,都離不開教師一課一言的滲透與默化。
總之,核心素養(yǎng)的形成是一個(gè)隱性而長期的過程,就需要教師挖掘教材中的高階思維過程,才能深刻理解生命的本質(zhì),孕育核心素養(yǎng)的萌芽與發(fā)展。酶的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)凸顯了以質(zhì)疑為思考視角、用邏輯作為論辯準(zhǔn)繩、實(shí)證作為判斷尺度的科學(xué)思維,這是人類最高級的認(rèn)知模式,當(dāng)模式變成思維的范式與習(xí)慣,便為我們的頭腦裝入了一套“操作系統(tǒng)”,進(jìn)而發(fā)展為伴其一生的科學(xué)素養(yǎng)。
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