基于科學(xué)本質(zhì)的“酶”的教學(xué)設(shè)計(jì)

曹冬林

1 高中生物教學(xué)與科學(xué)本質(zhì)

高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為科學(xué)教育的一個(gè)重要組成部分，本身就蘊(yùn)涵著基本要求，即在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)體現(xiàn)科學(xué)的本質(zhì)。科學(xué)探究是指用以獲取知識(shí)、領(lǐng)悟科學(xué)家們研究自然界所用的方法而進(jìn)行的各種活動(dòng)，包括觀察、提出問(wèn)題，設(shè)計(jì)研究方案、獲得實(shí)驗(yàn)證據(jù)、分析和解讀數(shù)據(jù)、提出答案、解釋和預(yù)測(cè)、把結(jié)果和結(jié)論告訴他人等。通過(guò)探究活動(dòng)，學(xué)生可以真正理解生命科學(xué)的歷史和本質(zhì)，并將對(duì)生命科學(xué)的理解和科學(xué)探究的經(jīng)歷內(nèi)化為生物科學(xué)素養(yǎng)。

1.1 體現(xiàn)知識(shí)的發(fā)展性

新一輪課程改革綜合考慮學(xué)生的發(fā)展、社會(huì)的需要和學(xué)科的特點(diǎn)，因此更加強(qiáng)調(diào)知識(shí)的發(fā)展性。隨著進(jìn)化生物學(xué)、分子生物學(xué)的發(fā)展，分子生物學(xué)的基本理論已經(jīng)成為對(duì)生命現(xiàn)象進(jìn)行解釋的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)生物知識(shí)，不單是為了記住這些知識(shí)，而是為了開(kāi)啟學(xué)生的心智，為了提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，有利于學(xué)生的發(fā)展。

1.2 注重“科學(xué)性”與“主動(dòng)性”

在生物學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師為了讓學(xué)生通過(guò)探究活動(dòng)體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，需要注意以下事項(xiàng)：① “科學(xué)”的探究，例如觀察探究方案的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、觀察記錄的客觀準(zhǔn)確等；② 學(xué)生的“主動(dòng)”參與，學(xué)生應(yīng)在“做”中學(xué)。

1.3 注重科學(xué)方法

教師在生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)重視學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究過(guò)程的學(xué)習(xí)與體驗(yàn)，既讓學(xué)生通過(guò)生物實(shí)驗(yàn)了解科學(xué)知識(shí)形成的一般過(guò)程和基本方法，但同時(shí)又不能讓學(xué)生誤認(rèn)為這就是生物學(xué)研究的惟一程式。因此，教師在生物學(xué)教學(xué)中既要注重科學(xué)方法教育，同時(shí)又不能將實(shí)驗(yàn)探究的一般過(guò)程僵化為惟一模式。

1.4 重視對(duì)結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析

目前，一些教師在生物學(xué)教學(xué)時(shí)比較重視實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及實(shí)施，卻往往輕視對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)體現(xiàn)科學(xué)的本質(zhì)是非常關(guān)鍵的。對(duì)結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要與已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)建立聯(lián)系。因此，在生物學(xué)教學(xué)過(guò)程中，如果學(xué)生離開(kāi)了對(duì)結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析，這樣的“探究者”不過(guò)是事實(shí)的搜集者、是半途而廢者。

1.5 體現(xiàn)生物學(xué)思想

作為科學(xué)教育一部分的高中生物學(xué)教育，既應(yīng)該反映科學(xué)的共同本質(zhì)，也應(yīng)該反映生物學(xué)獨(dú)特的思想、方法。例如，適度滲透觀察-比較法、假說(shuō)-演繹法等生物學(xué)研究的重要方法；體現(xiàn)對(duì)某一生命現(xiàn)象可從近期原因和終極原因進(jìn)行不同層次的探討；等等。

2 基于科學(xué)本質(zhì)的生物教學(xué)設(shè)計(jì)的分析——以“酶”的教學(xué)為例

著名的美國(guó)教學(xué)設(shè)計(jì)專家馬杰指出，教學(xué)設(shè)計(jì)依次由3個(gè)基本問(wèn)題所組成。首先是“我要去哪里”，即根據(jù)考綱和學(xué)生學(xué)情制訂合適的教學(xué)目標(biāo)；接著是“我如何去那里”，也就是根據(jù)教學(xué)目標(biāo)分析教學(xué)內(nèi)容、選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略；最后是“我怎么判斷我已到達(dá)了那里”，即教學(xué)評(píng)價(jià)。

“酶”是浙科版生物教科書(shū)《選修1·分子與細(xì)胞》第三章第三節(jié)，本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)是酶的作用，教學(xué)難點(diǎn)是酶的化學(xué)本質(zhì)。由于酶與生活貼近，實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)，為了突破難點(diǎn)，對(duì)本節(jié)內(nèi)容采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并進(jìn)行基于科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)設(shè)計(jì)，從“酶是什么物質(zhì)、酶有什么作用、酶在哪里”三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。其中學(xué)習(xí)“酶是什么物質(zhì)”可以通過(guò)展示科學(xué)家的探究過(guò)程使學(xué)生體會(huì)科學(xué)知識(shí)的形成過(guò)程；學(xué)習(xí)“酶有什么作用”通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生利用探究的基本方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，體驗(yàn)科學(xué)方法；學(xué)習(xí)“酶在哪里”通過(guò)分析資料進(jìn)行思考分析，體驗(yàn)科學(xué)思想的價(jià)值，最后運(yùn)用科學(xué)概念引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)，形成新的知識(shí)和方法，學(xué)以致用。

3 “酶”的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)：掌握酶本質(zhì)的概念，理解其內(nèi)涵和外延。

能力目標(biāo)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，熟悉科學(xué)探索的方法，提高觀察分析、合作交流、動(dòng)手操作的能力。

情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、交流合作等學(xué)習(xí)品質(zhì)，養(yǎng)成積極、樂(lè)觀的學(xué)習(xí)態(tài)度，體驗(yàn)學(xué)習(xí)生物學(xué)的樂(lè)趣。

3.2 教學(xué)重難點(diǎn)

本節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)是酶的作用、本質(zhì)和特性；教學(xué)難點(diǎn)是酶的催化作用原理以及控制變量的方法。

3.3 課前準(zhǔn)備

教師準(zhǔn)備材料和設(shè)備訂購(gòu)單，收集好相關(guān)信息資料和視頻，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組。學(xué)生根據(jù)自己的興趣查閱與酶有關(guān)的資料，并預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。

3.4 教學(xué)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程采用探究問(wèn)題→實(shí)驗(yàn)探究→探究評(píng)價(jià)的流程，如圖1所示。

教師提出問(wèn)題：為什么削皮后的蘋(píng)果會(huì)變色？究竟是什么原因?qū)е逻@種變化？以此順利引入關(guān)于“酶是什么物質(zhì)”的實(shí)驗(yàn)探究。

實(shí)驗(yàn)探究、引導(dǎo)歸納：

探究1：酶是什么物質(zhì)？

教師通過(guò)多媒體展示酶的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史部分材料，要求學(xué)生思考、討論下列資料分別說(shuō)明了什么問(wèn)題。

資料1：美國(guó)科學(xué)家薩母納爾獲得脲酶的結(jié)晶，并用多種方法證明脲酶是蛋白質(zhì)，因此榮獲1946年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

資料2：科學(xué)家又相繼獲得胃蛋白酶、胰蛋白酶等的結(jié)晶，并且這些酶都是蛋白質(zhì)。

資料3：美國(guó)科學(xué)家?jiàn)W特曼通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出少數(shù)RNA也可以是酶的論斷。這一發(fā)現(xiàn)使他和切赫共同獲得1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

教師展示問(wèn)題：現(xiàn)有唾液淀粉酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶等多種酶，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)它們的化學(xué)本質(zhì)。

學(xué)生以小組為單位作出假設(shè)，討論出實(shí)驗(yàn)方案，然后自主探究實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)或結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行分析并推導(dǎo)結(jié)論。教師指導(dǎo)設(shè)計(jì)、篩選方案，在教室內(nèi)進(jìn)行巡回輔導(dǎo)，使學(xué)生的探究順利進(jìn)行。

師生共同歸納，得出結(jié)論：酶是有機(jī)物；絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。

探究2：酶有什么作用？

教師運(yùn)用課件展示如下信息材料：

材料1：H2O2在體外可被無(wú)機(jī)催化劑Fe3+分解為H2O和O2；在體內(nèi)可被H2O2酶分解為H2O和O2。

材料2：H2O2酶可從新鮮動(dòng)物的肝臟或新鮮的馬鈴薯中獲得。

材料3：每滴FeCl3溶液中Fe3+數(shù)大約是肝臟研磨液中H2O2酶分子數(shù)的25萬(wàn)倍。

教師提供實(shí)驗(yàn)材料和用具（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的H2O2溶液、動(dòng)物肝臟研磨液、FeCl3溶液、蒸餾水、衛(wèi)生香、試管、試管架、恒溫水浴鍋等），并設(shè)置一系列實(shí)驗(yàn)情境，要求學(xué)生通過(guò)小組合作完成實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)知識(shí)的形成。

教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生討論分析：與1號(hào)試管相比，2號(hào)試管有什么不同現(xiàn)象？能通過(guò)加熱使細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)提高反應(yīng)速度嗎？3號(hào)和4號(hào)未經(jīng)加熱，也有氣泡產(chǎn)生，這說(shuō)明什么？比較3號(hào)和4號(hào)，你能得出什么結(jié)論？4號(hào)試管的氣體產(chǎn)生量會(huì)大于1、2、3號(hào)試管嗎？若增加4號(hào)試管中肝臟研磨液的量，或增加H2O2溶液的量，產(chǎn)生的氣泡會(huì)增多嗎？催化結(jié)束后酶本身是否改變？

學(xué)生討論交流，得出結(jié)論：酶具有催化作用，與無(wú)機(jī)催化劑相比具有高效性。

師：通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，我們知道了酶在化學(xué)反應(yīng)中大顯身手，“酶”力無(wú)限。那么它究竟存在哪里呢？以此引出探究3。

探究3：酶在哪里？

教師提示：絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，RNA是在細(xì)胞核中由DNA指導(dǎo)合成。

學(xué)生思考討論，得出結(jié)論：蛋白質(zhì)類酶在核糖體上合成，RNA類酶在細(xì)胞核中合成，酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的。

交流評(píng)價(jià)、形成知識(shí)：師生共同討論、歸納總結(jié)得出酶的概念：活細(xì)胞產(chǎn)生的具有生物催化作用的有機(jī)物。

反思升華、拓展實(shí)驗(yàn)：教師提出問(wèn)題：所有的酶都來(lái)自活細(xì)胞嗎？酶一定在細(xì)胞內(nèi)起催化作用嗎？學(xué)生分組討論。

教師利用課件展示畢希納實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論：有的酶可以人工合成，比如加酶洗衣粉；酶作用的場(chǎng)所可以在細(xì)胞外。這樣從而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)酶的概念進(jìn)行有效的補(bǔ)充，理解概念的發(fā)展是動(dòng)態(tài)的。

最后，要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究：現(xiàn)有淀粉、葡萄糖、唾液淀粉酶、稀釋的雞蛋清4瓶溶液，但沒(méi)有標(biāo)簽記錄，并提供碘液、本尼邊特試劑、雙縮脲試劑。如何把唾液淀粉酶溶液鑒定出來(lái)？

學(xué)生分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究。研究結(jié)束后，各學(xué)習(xí)小組進(jìn)行成果展示、交流評(píng)價(jià)，達(dá)到學(xué)以致用。

設(shè)計(jì)反思：本節(jié)課以學(xué)生為主體，以探究任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)設(shè)計(jì)的一系列的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)觀察、分析、歸納、總結(jié)的學(xué)習(xí)過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中將推理性實(shí)驗(yàn)與探究性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，將探究性實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)酶的知識(shí)進(jìn)行由淺入深、從宏觀到微觀的學(xué)生，讓學(xué)生經(jīng)歷感知知識(shí)、生成知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自主建構(gòu)和深度理解，提高其生物學(xué)素養(yǎng)。教師在教學(xué)中為學(xué)生提供親身體驗(yàn)“做研究”的機(jī)會(huì)，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究形成自己的知識(shí)體系，而不是全盤接受別人的觀點(diǎn)，從“聽(tīng)和背”中解脫出來(lái)，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。

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