問題驅動實驗 提升科學素養

史佳麗

摘 要：通過問題驅動、實驗探究引導學生觀察、設計和分析實驗，從在定性實驗中理解并掌握科學探究的一般步驟，到定量實驗去運用，提高學習興趣，驅動學生自主學習，培養并提升學生的科學素養。

關鍵詞：酶活性;問題驅動;科學思維;科學探究

問題驅動是以建構主義教學理論為基礎，從教學內容出發，在真實情境下設計有效問題，驅動學生探究并解決問題進而提高能力、獲取知識的教學方法。該教學方法的關鍵在于構建合理的“問題鏈”，創設相應的問題情境，在恰當的環節呈現問題，并以此激發學生解決問題的欲望，同時通過教師的引導與啟發，展示知識的形成和應用過程，讓學生通過自己的思考解決問題，真正實現對概念知識的理解和構建[1]。本文以“降低化學反應活化能的酶（第二課時）”為例，展示基于“問題驅動”提升學生科學素養的教學設計。

1.教材分析

本教學內容屬于《模塊1分子與細胞》中核心概念2“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”，重要概念2.2“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”中的一般概念2.2.1“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的影響”[2]。酶作為生物催化劑，細胞的物質轉換和能量轉換都離不開它。在第一課時中，學生對酶的作用和本質有了一定的了解，通過“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗感性認識了“控制變量”。在這個認識的基礎上，在本課時的教學中，教師通過新的實驗材料和裝置，組織學生進行探究活動，讓學生親自獲得酶的活性受到溫度和pH影響的實驗證據，并由定性實驗逐步精確到定量實驗。

2.教學目標

養成科學思維：用文字或圖示等方式表達和解釋酶活性受到環境因素的影響，基于生物實驗的事實提出質疑（批判性思維），設計實驗裝置（創造性思維），探討實驗現象，審視實驗結果;

發展科學探究：借鑒探究酶活性的因素的實驗設計原理，能初步嘗試探究相似課題的實驗設計，能運用設置對照實驗、控制單一變量、增加重復實驗次數等方法，提高實驗結果的可靠性。針對實驗現象，進行實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論，提高實踐能力，在探究中，樂于并善于團隊合作。

3.教學重難點

教學重點：酶的特性（酶作為生物催化劑，細胞代謝幾乎都離不開酶的催化，酶保持高效專一的環境條件尤為重要）

教學難點：控制變量的科學方法（控制變量是高中生物諸多實驗的核心部分，對學生動手能力的要求很高）

4.教學過程

為了幫組學生達成對“酶活性受到環境因素的影響”的理解，促進學生科學素養的提升，在本節課中開展下列教學活動：（1）觀察現象，感性體驗過氧化氫酶的催化作用;（2）進行定性實驗，教師制造認知沖突，讓學生發現過氧化氫酶的活性會受到溫度的影響，并能解釋現象和提出質疑;（3）設計實驗裝置和實驗步驟，探究過氧化氫酶的最適pH。

4.1情境導入——酶的作用

情境1將切成大小和厚薄相同的兩片新鮮土豆片分別放入甲、乙小燒杯，向甲燒杯加入50ml的蒸餾水、同時向乙燒杯加入50ml的過氧化氫溶液。

問題土豆塊浮起的原因？

設計意圖通過一個實驗現象，回顧酶的作用，激發學生的學習興趣，并讓學生了解到土豆中含有過氧化氫酶。

4.2定性實驗——酶的活性受溫度的影響

情境2向放置了2個土豆塊的小燒杯里加入50ml的過氧化氫，觀察并記錄現象。

問題土豆塊不浮起的原因？

情境3以溫度作為自變量，探究“溫度影響過氧化氫酶的活性”：將三個溫度設定下預處理的土豆塊，放置在小燒杯中，同時加入50ml的過氧化氫溶液。

問題土豆塊的運動情況

設計意圖本環節設計了兩個認知沖突，①沒有浮起的土豆塊;②都浮起的土豆塊，通過這兩個沖突，學生認識到了溫度能影響酶的活性，在研究定性實驗時需要嚴謹的實驗裝置和實驗步驟。

4.3定性實驗：土豆塊中過氧化氫酶的最適pH

情境4實驗裝置的設計

問題實驗現象的觀測需要更加嚴謹和直觀，大家利用實驗器材組裝實驗裝置，參照工作單，完成操作。

情境5嘗試設計探究過氧化氫酶最適pH的實驗

問題該實驗的因變量如何測定？如何記錄？

設計意圖本環節設計了兩個動手操作，①設計實驗裝置;②定性實驗，通過這兩個動手操作，學生認識到了pH能影響酶的活性，定性實驗更精準。

5.教學反思

（1）在“溫度影響酶活性”的定性實驗中：冰水混合物中的土豆片，與常溫中的土豆片，在滴加過氧化氫后的效果差異不大;結合土豆的生長環境，以及資料記錄（最適溫度0-10度），過氧化氫酶的適宜范圍比較廣，該實驗用于說明“高溫能使酶失活”更為嚴謹。

（2）在“探究過氧化氫酶最適pH”的定量實驗中：教師可以不用規定土豆研磨液和過氧化氫溶液的量，讓學生去嘗試;過氧化氫性質不穩定，緩沖液與酶液先接觸更好，可以直接加緩沖液研磨土豆;利用針筒注射器添加試劑，對學生而言有一定的安全隱患，學生在操作過程中教師需密切關注。

參考文獻

[1]魏杰.基于“問題驅動”教學模式下的“隨機事件的概率”教學設計[J].數學教學通訊，2019（21）：21-22.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018：13