閆金玉

(上海市嘉定區(qū)中光高級中學(xué) 上海 201800)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)指出,以探究為特點的教學(xué)不僅會直接影響核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”的落實,也會間接影響“生命觀念”“社會責(zé)任”兩個核心素養(yǎng)的達(dá)成。在課堂上合理運用探究性學(xué)習(xí)的教學(xué)方法,不僅可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,還能幫助學(xué)生養(yǎng)成獨立的思考習(xí)慣。下面以“酶催化細(xì)胞的化學(xué)反應(yīng)”第一課時新授課為例,闡述探究性學(xué)習(xí)在高中生物學(xué)課堂中的應(yīng)用。

1 教材分析和設(shè)計思路

本節(jié)內(nèi)容選自滬科版高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》第四章第二節(jié),是該節(jié)內(nèi)容的第一課時,涉及酶的作用、本質(zhì)和特性三個方面。本節(jié)內(nèi)容建立在“蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能”和“細(xì)胞的結(jié)構(gòu)”等相關(guān)知識的基礎(chǔ)上,進一步闡釋了酶是細(xì)胞內(nèi)幾乎所有化學(xué)反應(yīng)不可缺少的物質(zhì),并為后面學(xué)習(xí)細(xì)胞呼吸、光合作用等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。

結(jié)合《課程標(biāo)準(zhǔn)》和教材,聚焦“酶能催化生化反應(yīng),大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)”的核心概念,教師以問題鏈的形式導(dǎo)入課堂,引導(dǎo)學(xué)生先通過問題情景構(gòu)建探究學(xué)習(xí)的前概念“酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化能力的生物大分子,絕大多數(shù)是蛋白質(zhì),少數(shù)是RNA”。在此基礎(chǔ)上,學(xué)生在觀察現(xiàn)象、提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計實驗、實施實驗、分析實驗結(jié)果、得出結(jié)論等過程中學(xué)習(xí)生物學(xué)知識。同時,在已有探究實驗的基礎(chǔ)上,教師對探究內(nèi)容進行拓展培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神。最后教師以生活中常見的加酶洗衣粉為例,使學(xué)生將知識運用于生活,落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)

(1)通過閱讀分析資料,闡明絕大多數(shù)酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)的事實,認(rèn)同科學(xué)是在不斷探索中前進的。

(2)觀察“酶的催化作用”演示實驗,比較對照組與實驗組的實驗現(xiàn)象,歸納概括酶的作用特點。分析實驗設(shè)計思路,學(xué)習(xí)探究實驗的設(shè)計方法。

(3)以圖文結(jié)合的方式解釋酶具有專一性的原理,建立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀,感悟酶的高效性和專一性對生命活動正常運行的重要意義。

(4)結(jié)合酶的特性相關(guān)知識,舉例說明酶在生活中的應(yīng)用。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)問題情境,激發(fā)學(xué)生思考

教師以“一秒鐘我們能做什么”導(dǎo)入課堂,學(xué)生主動思考并回答:眨眼、呼吸等。接著,教師展示“人腦有100 億個神經(jīng)細(xì)胞,每日可記錄8 600 萬次信息,在1 秒鐘之內(nèi),可產(chǎn)生10 萬次化學(xué)反應(yīng)”的資料,讓學(xué)生直觀地感受體內(nèi)快速的化學(xué)反應(yīng)。教師提出問題:為什么細(xì)胞可以進行如此快速的化學(xué)反應(yīng)呢? 引發(fā)學(xué)生進一步的思考,從而引出酶的概念?；诖?教師提出問題串:酶是什么物質(zhì)? 酶有什么作用? 酶在哪里產(chǎn)生? 以問題激發(fā)學(xué)生的求知欲。學(xué)生通過閱讀教師任務(wù)單中呈現(xiàn)的關(guān)于酶本質(zhì)的探究資料,給出酶的定義:酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化能力的生物大分子,絕大多數(shù)是蛋白質(zhì),少數(shù)是RNA。

設(shè)計意圖:學(xué)生要進行科學(xué)合理的實驗探究,必須先掌握相關(guān)的知識。本環(huán)節(jié)中教師以問題吸引學(xué)生興趣,激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。接著教師又通過問題鏈的形式層層遞進,開闊學(xué)生的思維,讓學(xué)生帶著問題閱讀資料,在快速提取信息的過程中建構(gòu)酶的概念,為后續(xù)科學(xué)的實驗探究儲備了知識。

3.2 引導(dǎo)理論探究,鍛煉學(xué)生思維

教師設(shè)問:具有催化作用的酶是否有特別之處呢? 教師利用實驗探究的一般過程引導(dǎo)學(xué)生逐步認(rèn)識酶的本質(zhì)。

3.2.1 觀察過氧化氫在常溫下的分解

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶H2O2分解的反應(yīng)方程式并提問:如果把H2O2溶液倒在試管中,根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式會看到什么現(xiàn)象? 學(xué)生猜測會看到試管中有氣泡產(chǎn)生。接著,教師演示常溫下H2O2的分解反應(yīng),學(xué)生觀察現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)常溫下H2O2幾乎無氣泡產(chǎn)生。教師追問:有沒有什么方法可以加快H2O2的分解呢? 基于酶的前概念及初中在化學(xué)課上學(xué)過的無機催化劑的相關(guān)知識,學(xué)生說出酶和無機催化劑可以加快H2O2的分解。

3.2.2 提出問題

教師提問:在新鮮的動物肝臟中H2O2的水解酶較多,如何操作才能讓這些酶從動物肝臟中釋放出來呢? 學(xué)生回答:研磨。隨后,教師呈現(xiàn)本節(jié)課所用到新鮮肝臟研磨液和無機催化劑FeCl3兩種實驗材料,引導(dǎo)學(xué)生提出問題:哪種條件下H2O2分解的速率更快?

3.2.3 作出假設(shè)

教師以選擇題的形式展示問題“哪種條件下反應(yīng)速率最快? A.加肝臟研磨液B.加氯化鐵”,多數(shù)學(xué)生所作出的假設(shè)為加肝臟研磨液后H2O2分解的速率更快。

3.2.4 設(shè)計實驗

教師提出問題:我們的假設(shè)是否正確,需要通過什么去驗證? 學(xué)生回答:實驗。教師展示第一份實驗設(shè)計方案(表1),并提問:若新鮮的動物肝臟勻漿和FeCl3都能加快過氧化氫的分解,可以在試管中觀察到何種現(xiàn)象? 學(xué)生利用已有知識回答出有氣泡產(chǎn)生。教師追問:這種氣泡是什么? 有什么作用? 學(xué)生通過分析、討論問題,設(shè)計出本實驗的兩個觀測指標(biāo),即氣泡產(chǎn)生量和帶火星的衛(wèi)生香復(fù)燃后的火光亮度。

表1 各試管中加入的材料

在此基礎(chǔ)上教師請學(xué)生找出實驗設(shè)計方案的不妥之處,學(xué)生思考并回答:缺少對照組。教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到實驗設(shè)計要遵循對照原則并請學(xué)生完善實驗設(shè)計方案(表2)。

表2 各試管中加入的材料與結(jié)果記錄表

3.2.5 實施實驗

生物學(xué)教學(xué)不僅是教師講解和演示的過程,也是師生交流、共同發(fā)展的互動過程。教師邀請一位學(xué)生協(xié)助完成“觀察酶的催化作用”的演示實驗,并由該學(xué)生走下講臺向其他學(xué)生展示實驗結(jié)果,有效地避免了部分學(xué)生因坐在后排而錯過觀察實驗現(xiàn)象的情況。同時,教師圍繞所看到的實驗現(xiàn)象與學(xué)生進行互動,引導(dǎo)學(xué)生感受實驗的魅力。

3.2.6 分析實驗結(jié)果

教師引導(dǎo)學(xué)生分析觀察“酶的催化作用”的實驗結(jié)果,并通過小組討論以下問題:①圖1 表示酶催化過氧化氫水解的化學(xué)反應(yīng),請指出A、B、C、D 分別代表什么? ②與A 試管相比,B 試管有大量氣泡產(chǎn)生,這說明了什么? ③與A 試管相比,C 試管有氣泡產(chǎn)生,這說明了什么? ④B 試管與C 試管相比,哪支試管中的反應(yīng)速率快? 這又說明什么? ⑤嘗試判斷出圖2 中的1、2、3 分別對應(yīng)哪支試管中的實驗結(jié)果,并說出判斷理由。

圖1 酶催化過氧化氫水解的化學(xué)反應(yīng)

圖2 不同試管產(chǎn)物濃度變化圖

學(xué)生以小組為單位,通過對問題進行討論分析,師生共同得出:過氧化氫酶的催化效率要比無機催化劑FeCl3的催化效率高,促進學(xué)生建構(gòu)酶具有高效性的概念。

3.2.7 得出結(jié)論

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象及結(jié)果的分析,得出結(jié)論:酶催化的效率比無機催化劑高。

設(shè)計意圖:生物學(xué)探究性實驗需要學(xué)生具有一定的創(chuàng)新性思維模式,在實驗過程中要不斷地發(fā)現(xiàn)、解決并分析問題。教師以“常溫下過氧化氫的分解”為情景,逐步引導(dǎo)學(xué)生主動思考,學(xué)生具備了很強的主動性后,就能夠在探究實驗的過程中積極思考、回答問題。除此之外,教師課堂上的演示實驗由師生合作完成,可以讓課堂效率在有效的師生互動中得以提高。當(dāng)學(xué)生觀察完演示實驗現(xiàn)象后,由小組合作討論分析實驗結(jié)果和現(xiàn)象,教師需要對學(xué)生的討論結(jié)果進行評價和指導(dǎo),最后得出相應(yīng)的結(jié)論。這種探究式學(xué)習(xí)方法引導(dǎo)學(xué)生逐步形成良好習(xí)慣,激發(fā)學(xué)生的探索欲望,讓學(xué)生充分體會到知識學(xué)習(xí)的過程。

3.3 拓展探究內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生探究精神

教師提出問題:別的酶是否能催化過氧化氫的分解? 過氧化氫酶能否催化其他物質(zhì)分解? 如何進行進一步實驗探究? 學(xué)生以小組為單位在已有實驗的基礎(chǔ)上設(shè)計出兩種實驗方案:①在一支新的試管中加入5 mL 3% H2O2溶液和1 mL 淀粉酶溶液,與B 試管比較氣泡的產(chǎn)生量。②在一支新的試管中加入5 mL淀粉溶液和1 mL 新鮮的豬肝勻漿溶液,與B 試管比較氣泡的產(chǎn)生量。教師請兩位學(xué)生根據(jù)自己組內(nèi)的實驗設(shè)計方案進行演示實驗,學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象,得出酶還具有專一性的特點。

教師展示任務(wù):結(jié)合教材77 頁的圖文材料,嘗試解釋酶具有專一性的原因。學(xué)生通過閱讀教材,提取有效信息,歸納概括出酶具有專一性的原因為不同種類酶的活性中心結(jié)構(gòu)不同,所以催化的底物就不同。教師追問:細(xì)胞中酶的專一性和高效性對于細(xì)胞的代謝有何重要意義? 并以卡塔爾世界杯中的足球運動員為例,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到足球運動員體內(nèi)供能的化學(xué)反應(yīng)如果低效進行,運動員就無法快速地踢球。學(xué)生根據(jù)教師提示,說出酶具有高效性的意義。在此基礎(chǔ)上,教師進一步引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)酶具有專一性的意義。

設(shè)計意圖:在已有探究實驗的基礎(chǔ)上,對探究內(nèi)容進行拓展,是對生物學(xué)知識的有效深化,是思維能力的形成和發(fā)展。本環(huán)節(jié)中教師在學(xué)生已有知識的水平上,提出更高層次的問題,激勵學(xué)生繼續(xù)探究,有利于拓展學(xué)生的思維能力,培養(yǎng)探究精神。同時,通過組織學(xué)生閱讀教材,提取信息,以圖文結(jié)合的方式解釋酶具有專一性的原理,建立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀,感悟酶的高效性和專一性對生命活動正常運行具有重要意義。

3.4 生活化教學(xué),增強學(xué)生社會責(zé)任感

教師展示加酶洗衣粉的洗衣說明,并引導(dǎo)學(xué)生閱讀資料:“加酶洗衣粉中添加了多種酶制劑,其中主要添加了蛋白酶制劑和脂肪酶制劑,這些酶制劑不僅有效地清除衣物上的污漬,而且對人體沒有毒害作用,所以深受人們的普遍歡迎。加酶洗衣粉使用溫水溶解洗衣粉洗滌效果最佳,絲綢、羊毛質(zhì)地的衣服不適合用加酶洗衣粉洗滌?！痹诖嘶A(chǔ)上,教師提出問題:為什么棉、麻、化纖等質(zhì)地的衣服可以用加酶洗衣粉洗滌,而絲綢、羊毛質(zhì)地的衣服不適合用加酶洗衣粉洗滌? 學(xué)生閱讀資料后小組討論分析,并嘗試?yán)妹傅膶Ｒ恍哉f明,加酶洗衣粉中的蛋白酶只能水解絲綢、羊毛質(zhì)地衣服中的蛋白質(zhì),而不能水解棉、麻、化纖等質(zhì)地衣服中的其他成分。最后教師布置課后思考題:為什么溫水溶解洗衣粉洗滌效果最佳?

設(shè)計意圖:生活化教學(xué)可以減輕學(xué)生的理解負(fù)擔(dān),提高學(xué)習(xí)興趣,增強學(xué)習(xí)信心。本環(huán)節(jié)中,學(xué)生從探究學(xué)習(xí)的過程中已經(jīng)認(rèn)識到酶的作用特點,貼近生活的例子可以提高學(xué)生學(xué)以致用的能力。學(xué)生將知識運用于生活,綜合能力得到了明顯的增強。而課后思考題的設(shè)置為第二課時的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容,以探究式教學(xué)為主,采用多種不同的教學(xué)方法達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。教師以問題鏈的形式導(dǎo)入課堂,激發(fā)學(xué)生的興趣,學(xué)生帶著興趣閱讀資料,快速提取信息,為探究實驗儲備知識。在整個探究式教學(xué)的環(huán)節(jié)中,學(xué)生在教師的引導(dǎo)下通過小組合作、自主思考等方式,積極地參與到了課堂學(xué)習(xí)中。學(xué)生在小組合作的過程中積極交流,分享實驗結(jié)果,提升了學(xué)生的團隊協(xié)作能力。探究實驗后,教師提出整合度更高的問題以鼓勵學(xué)生繼續(xù)探究,創(chuàng)造了活躍的思維主體,利于提高學(xué)生的思維能力,培養(yǎng)科學(xué)探究精神。最后,生活化的教學(xué)使學(xué)生能夠利用所學(xué)知識,嘗試解決現(xiàn)實生活中的問題,從而提升學(xué)生的社會責(zé)任感。