核心素養視域下高中生物科學探究能力的提升
——以“酶的特性”為例

福建省三明第一中學 黃曉明

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》的設計宗旨和實施的基本要求是要著眼于學生適應未來社會發展和個人生活的需要，從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面發展學生的學科核心素養。“科學探究”作為核心素養的重要組成內容，是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果交流與討論的能力。探究實驗的設計和實施作為高階的科學探究在高考中占比較大，教師對學生的科學探究能力進行提升培養，有利于提高學生的解題能力和學科核心素養。下面以“酶的特性”為例，介紹在日常教學中對學生生物學科學探究能力進行提升培養的策略。

一、分析教材和學情，制定教學策略

對教材和學情進行分析，根據教學內容和學生的具體學習特點制定教學策略，可起到事半功倍、有效提升科學探究能力的效果。“酶的特性”是人教版高中生物必修1“分子與細胞”第5 章第1 節“降低化學反應活化能的酶”第2 課的內容。細胞內的物質轉化和能量轉化離不開酶的作用，理解酶的特性，能為后續章節ATP、細胞呼吸、光合作用等一系列酶促反應的學習奠定基礎。酶的特性表現在高效性、專一性、作用條件較溫和三個方面。其中酶具有高效性在前一節“酶的作用和本質”中已由學生通過實驗探究獲得，對于酶具有專一性可通過引導學生改變底物或酶的類型輕松突破，因此酶的作用條件較溫和是本節內容的探究重心。通過上一節內容“酶的作用和本質”的學習，學生對酶有了初步的認識，并掌握了一定的發現問題、提出假設、設計實驗以及進行科學探究的一般方法，但較高水平的可行性實驗方案的設計與實施對學生能力要求較高，“影響酶活性的條件”的實驗就是屬于高階水平的探究，因此引導學生完成該實驗的設計與實施是本節內容的教學難點。

二、設置問題串，提升科學探究能力

組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養培養的關鍵。學生在現有知識的基礎上自主設計實驗方案，教師通過問題串引導學生一步步完善實驗方案，拓展學生科學探究學習的深度和廣度，通過多個實驗反復的操練，有利于提升學生生物學科學探究的能力。

（一）選擇材料器具和初步設計實驗方案

教師引導學生在課前查閱相關文獻，在實驗室現有條件基礎上對材料器具進行選擇，為設計合理的方案做準備。探究“影響酶活性的條件”，教師可通過設置問題串引導學生進行設計，如：（1）“探究溫度對酶活性的影響”原理是什么？應選擇什么酶？為什么？（2）選擇了酶之后要選哪些對應的試劑和器具？（3）實驗設計的基本原則有哪些？（4）實驗實施中如何遵循這些基本原則？（5）實驗過程中有什么需要注意的事項？學生一般會想到科學性原則、對照性原則、單一變量原則、等量原則等，并根據這些實驗原則設計出初稿。在教學實際中，學生會提出不同的實驗材料選擇，教師應鼓勵學生根據自己的選擇大膽設計實驗并實施實驗，允許學生試錯，才能讓學生深入理解實驗原理和生物課程知識，達到意想不到的教學效果。

（二）完善實驗設計

高中生物科學探究實驗中自變量和因變量的確定是最根本的，學生會把較多的思考放在如何設置自變量的問題上，而無關變量容易被學生忽視。無關變量是指實驗過程中會對實驗結果造成影響的一些其他可變因素。實驗設計時不考慮無關變量，可能會導致整個實驗的失敗。很多考試中對無關變量的考查，體現了對實驗設計嚴謹性、細致性的要求，對學生的思維能力和問題分析能力都有了更高層次的要求。因此，在實驗設計過程中引導學生對無關變量進行控制，是提升科學探究能力的一個途徑，也更符合教學大綱的要求。

教師通過問題串引導學生對實驗步驟初稿進行完善，每個問題盡量讓學生多思考為什么、實驗設計是否合理、涉及的實驗原理、需要考慮的無關變量等。以“探究溫度對酶活性的影響”（見下表）為例，教師通過問題串不斷引導學生完善實驗步驟，形成定稿。

“探究溫度對酶活性的影響”實驗操作流程

學生在完成實驗“探究溫度對酶活性的影響”后，再舉一反三設計實驗“探究pH 對酶活性的影響”就容易多了。學生的實驗設計方案并不是唯一的，不同的小組設計出來的方案差別較大，教師要盡可能地幫助學生完善實驗設計，同時指出他們容易忽略的關鍵問題，在反復的實驗設計和修改中，提升學生生物實驗設計的能力。

三、構建數學模型，進一步提升科學探究能力

通過探究實驗“影響酶活性的條件”，學生的實驗設計能力得到了提升。在“探究溫度對酶活性的影響”時，教師可進一步引導學生設置一系列溫度梯度或以反應時間為自變量，以淀粉和碘液反應的藍色深淺為觀測指標，并將實驗結果繪制成坐標曲線圖，從而構建數學模型。如酶促反應需要一定的時間，時間不同淀粉水解程度也不同。酶促時間太短就滴加碘液，三支試管有可能都出現藍色，時間過長淀粉可能徹底水解，根據這個可以引導學生設計實驗驗證“時間對酶促反應速率的影響”。每隔1 分鐘分別從試管中取5 滴溶液與1 滴碘液滴在點滴板上鑒定，觀察顏色的變化并記錄。

“探究pH 對酶活性的影響”也可以設置一系列pH 梯度，以產生氣泡的多少（氧氣釋放量）作為觀測指標繪制曲線圖。為了使測定更精確，學生可使用電子pH 計，在實驗過程中使用氧氣傳感器進行檢測，讓實驗結果更加準確。學生把實驗探究的結果構建成數學模型并進行分析，把復雜的研究對象轉化為簡化后的數學問題，用數學關系式呈現研究對象的關系，從理論到實踐再到理論，進一步提升科學探究能力，加深對“酶的特性”的直觀理解，體驗科學探究過程。這種構建數學模型的思維結合生物學規律和原理，設計并實施可行的實驗方案，已經達到了科學探究培養的高階水平（水平三、水平四）。

四、課后反思與延伸探究

學習是師生互動的過程，教師反思可總結經驗、改進教學，彌補教學過程中的不足，指導今后的教學，提高課堂教學的有效性。但光有教師的反思是不夠的，學生是學習的主體，學生主動反思具有更大的能動性，能充分挖掘其思維潛能和探究潛能。一個實驗的結束并不意味著停止，不論實驗成功與否，引導學生對實驗過程和結果進行分析、反思，促使學生養成反思習慣，總結利弊，改進實驗設計，都能提升學生的科學探究素養。提升科學探究素養，不只是積累知識，更是授之以漁，是為了學生在日后生活和學習中能掌握發現問題、分析問題、解決問題的能力。教師可適當留一些待探究的問題，讓學生在今后的學習和生活中時時處處進行科學探究。

“影響酶活性的條件”這個探究實驗受限于教學時間和實驗設備，不能在課堂上深度展開，而學生在實驗過程中會激發更多的奇思妙想，如有的學生會提出“用過氧化氫酶來探究溫度對酶活性的影響是否可行、唾液淀粉酶和工業淀粉酶做實驗有什么區別、實驗中用斐林試劑來鑒定實驗結果是否可行、可否用淀粉酶來探究pH 對酶活性的影響”，還有的學生提出“用底物濃度或者酶量等作為自變量來探究影響酶活性的條件”……教師鼓勵學生將這些問題作為研究性學習的內容進行延伸探究，利用課余時間經過小組充分討論實驗的可行性，大膽設計并實施實驗，將實驗結果繪制成圖就得到了唾液淀粉酶與工業淀粉酶的最適溫度不同的結論，以及酶促反應速率與底物濃度的曲線圖、酶促反應速率與酶量的曲線圖等。教師引導學生將這些實驗結論、曲線圖與相應的試題相結合，對可能的結果做出預測和解釋，能有效地培養學生的科學思維方式和解題能力。這些課后反思與延伸探究引發了學生進一步探究的欲望，教師通過引導和保護學生的探究欲，提供適當的探究條件，培養學生的探究精神，有助于提升學生的生物學科學探究核心素養。

教師不囿于教材或文獻提供的材料和實驗方案，給予學生自由發揮的空間，有利于學生在充分討論和查閱資料中獲得知識的升華和能力的提升。核心素養視域下的高中生物科學探究以理論為指導，以科學實踐為途徑，緊扣生物學科核心素養，有利于培養和提升學生的科學探究水平，將培養目標落實到日常課堂教學中去。