“酶的作用和本質”概念教學的組織*

趙廣宇 汪紹鑫 徐 杰 謝詠梅

（1成都市石室中學 四川成都 610041 2四川成都武侯區教科院 四川成都 610041）

1 學習內容分析

“酶的作用和本質”是人教版必修1第5章第1節的教學內容，核心任務是引導學生從酶的功能、化學屬性、作用機理等角度認識酶的本質與作用，構建“酶”的概念。在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》必修1的內容要求中，有關“酶”的概念是分列在大概念2“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”中，是重要概念“細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些反應發生在細胞的特定區域”的下位概念，即“說明絕大多數酶是一類能催化生化反應的蛋白質，酶活性受到環境因素（例如 pH 值和溫度等）的影響”［1］。

圍繞與酶相關的概念，以“說明絕大多數酶是一類能催化生化反應的蛋白質”為中心，確定本節課的概念體系如下：

A.酶的化學本質是有機物

A1.絕大多數酶是蛋白質

A1.1酶的發現史

A1.2實驗驗證木瓜蛋白酶的化學屬性是蛋白質

A2.少數RNA也具有生物催化功能

A2.1科學史料證明某些RNA也具有催化功能

B.酶具有催化作用

B1.酶的催化作用具有高效性

B1.1實驗證明酶具有催化作用，且催化作用具有高效性

B2.酶能顯著降低化學反應的活化能

以上概念間的關系可用概念結構圖（圖1）表示。

圖1 酶的概念結構圖

2 學習目標

1）說出細胞代謝的概念；闡明酶的概念；說明酶在細胞代謝中的作用；建立細胞的功能是絕大多數基于化學反應，這些反應發生在細胞的特定區域的生命觀念。

2）嘗試設計實驗，學會設置對照、控制變量；學會處理實驗數據，得出科學結論；體驗基于實驗的科學探究方法。

3）通過實驗探究、資料分析，探究酶的概念內涵；領悟基于實驗及生物學事實的概念構建；學會運用歸納與概括形成生物學概念的科學思維方法。

3 教學設計思路

教材第5章第1節的教學內容包括了“酶的作用和本質”“酶的特性”，本節課選擇“酶的作用與本質”作為教學內容，目的是引導學生建立“酶的概念”。

根據以往的教學經驗，學生以接受學習的方式學習這部分內容，能掌握“酶”的概念。但基于引導學生自主構建概念的需要，筆者嘗試采取實驗探究結合資料分析的教學方式，設計相應的學生探究實驗，以期引導學生通過觀察實驗現象、分析實驗結果，感知酶的化學屬性和功能；通過對科學史資料的分析，獲取更多的生物學事實，為構建“酶的概念”奠定堅實基礎。

在教學過程中，以螺旋上升式的問題驅動學生的學習活動，促使學生積極主動思維，自主構建概念，真正領悟概念內涵，幫助學生達成對“酶的概念”的理解，實現培養核心素養的目的。

4 教學過程實施

4.1 學習科學史實，感知探究歷程

4.1.1 學習代謝概念，提出探究問題 教師引導學生首先回顧初中學習過的光合作用等新陳代謝活動，其次回憶新陳代謝的概念。在此基礎上，再引出新陳代謝概念的本質——細胞內發生的化學反應。提出問題：細胞內的化學反應為什么能在常溫、常壓下迅速完成？什么是酶？酶的物質屬性是什么？如何知道酶具有催化功能？

4.1.2 感知酶的發現，探究化學屬性 教師以教材中“酶的本質”部分的“材料分析”內容為基礎，并補充部分科學史實資料，感受“酶”的發現歷程（圖 2）。

圖2 酶的發現歷程

提出問題：酶的物質屬性是否為蛋白質？如何驗證？學生根據已有知識，迅速回答：用雙縮脲試劑檢驗。

教師提供木瓜蛋白酶試劑、雙縮脲試劑及器材，由學生自主完成實驗，結果達到預期（圖3）：檢驗的樣品出現紫色，證明木瓜蛋白酶的化學屬性是蛋白質。

圖3 木瓜蛋白酶化學屬性的鑒定

教師提供新的資料：1971年，奧爾特曼用大腸桿菌進行tRNA合成的研究，他順利找到了核糖核酸酶P，其功能是切開RNA鏈上的磷酸二酯鍵，釋放出最終的tRNA。這種本質為RNA的酶能加速反應而不被消耗，完全符合酶的特性。1986年，切赫在四膜蟲中發現有一種RNA具有自我剪接的雙向催化作用，具有類似酶的作用，且既表現有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性，在一定條件下能像酶一樣催化寡聚核糖核苷酸底物的切割或連接。其后，其他的科學家陸續發現更多的具有催化自我剪接功能的RNA［2］。

學生分析并得出結論：切赫、奧爾特曼等科學家在不同的實驗室，用不同的實驗材料均證明某些RNA分子具有生物催化的功能，即具有酶的催化功能。說明酶的化學本質主要是蛋白質，少數RNA也具有催化功能。

4.2 設計定量實驗，探究酶的作用

4.2.1 完成教材實驗，獲取實驗現象 如何設計實驗證明酶的催化功能？教師指導學生完成教材實驗“比較過氧化氫在不同條件下的分解速率”，得到預期的結果。教師要求學生分析實驗結果、得出結論。學生的結論：過氧化氫在常溫下能夠分解；加入FeCl3（無機催化劑），反應速度加快；加入酶（生物催化劑），反應速度最快。教師追問：3種條件下，反應速度差異有多大？學生認為需進行定量實驗檢測，但不知如何開展定量實驗。

4.2.2 運用新型裝置，定量測定速率 教師提供可定量測定實驗結果的簡易裝置（圖4）：在白色塑料瓶中盛裝反應液，在瓶口處連接導氣軟管，軟管末端加重使之能沉入水中，待氣泡流速較穩定時計數，測定每分鐘產生的氣泡數。該裝置材料簡單易得、方便制作，產生的氣泡速率穩定、在水中現象非常明顯，易于觀察計數，可在一定程度上定量測定酶促反應的速率。

圖4 測定酶促反應速率的裝置

學生運用該裝置，設計了4組對照實驗：常溫（37℃）、高溫（100℃）、加 FeCl3（無機催化劑）、加新鮮豬肝研磨液（過氧化氫酶），實驗結果如表1。

表1 不同處理條件下H2O2分解產生氣泡的平均速率

4.2.3 分析實驗結果，得出實驗結論 學生根據實驗結果，得出結論：高溫能加速過氧化氫的分解；無機催化劑能進一步加速過氧化氫的分解；酶能顯著加快過氧化氫的分解。

教師引導學生深入思考：酶能在常溫、常壓下顯著加快反應速度，成為生物體進行生命活動的良好催化劑，其作用機理是什么？

4.3 運用動畫技術，闡明作用機理 教師抓住學生的疑惑，引出活化能的概念：分子從常態轉化為容易發生化學反應的活躍狀態需要的能量。正常狀態下，只有極少數的過氧化氫分子具有足以發生反應的活化能，故常溫下過氧化氫分解很慢。加熱、氯化鐵、過氧化氫酶都可加快化學反應，其原理是什么？

教師要求學生閱讀教材，并巧妙地結合動畫（圖5）進行講解：加熱、加壓都是為分子提供能量，獲得能發生化學反應的活化能；無機催化劑和酶都是降低化學反應的“門檻”——活化能，加快化學反應速率。正因為有酶的作用，細胞代謝才能在溫和條件下快速進行，滿足生命活動的需求。

圖5 各種加快化學反應速率的原理動畫截圖

4.4 歸納探究結論，構建酶的概念 教師引導學生在探究性學習的基礎上，歸納、概括“酶”的概念。1）酶的化學本質：絕大多數是蛋白質，少數是RNA。2）酶的功能：能顯著降低化學反應活化能的，起催化作用的物質。3）酶的來源：核糖體或者細胞核。教師引申出是“活細胞”。最終構建酶的完整定義：酶是活細胞產生的具有催化功能的有機物，絕大多數是蛋白質，少數是RNA。

5 教學反思

5.1 挖掘概念內涵，豐富概念體系 酶的概念內涵豐富，其中酶的作用機理又較復雜，學生自主構建概念的難度較大。因此，教師梳理概念各要素之間的關系，引導學生從酶的功能、作用機理、本質和來源等方面多維度探究概念的內涵，在感知事實性知識的基礎上，自主構建酶的概念。

5.2 靈活運用教學手段，逐漸構建概念體系 在教學過程中，教師采用靈活的教學手段，依次通過閱讀教材、分析資料、實驗探究、動畫演示等多種形式，有效地激發了學習的興趣和思考的激情，讓學生獨立思考，積極合作，親自操作，最終自主構建“酶的概念”。