立足學(xué)生認(rèn)知 提升科學(xué)探究能力
——以“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”為例

（江蘇省泰州市姜堰區(qū)羅塘高級(jí)中學(xué) 江蘇泰州 225500）

科學(xué)探究作為生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)內(nèi)容之一，是體現(xiàn)當(dāng)代中學(xué)生綜合素質(zhì)的重要指標(biāo)。生物學(xué)是一門基于科學(xué)探究能力發(fā)展起來(lái)的學(xué)科。在生物學(xué)教材中，有很多科學(xué)發(fā)現(xiàn)都可以作為提升科學(xué)探究能力的載體。例如，教材在“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”的發(fā)現(xiàn)史中，就列舉了多位科學(xué)家通過(guò)因果遞進(jìn)的系列探索揭示酶化學(xué)本質(zhì)的過(guò)程，并介紹了如何通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)探究酶在細(xì)胞代謝中的作用、酶高效性、專一性、需要適宜的溫度和pH。教學(xué)要達(dá)到學(xué)生積極思考、真實(shí)探究的境界，教師所設(shè)置的問(wèn)題和教學(xué)情境一定要立足于學(xué)生的認(rèn)知順序、認(rèn)知疑點(diǎn)、認(rèn)知難點(diǎn)、認(rèn)知沖突等，方能實(shí)現(xiàn)真正的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知順序，調(diào)整教材的教學(xué)順序

現(xiàn)有的某版本教材設(shè)置是從酶的作用和本質(zhì)入手，通過(guò)比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解，說(shuō)明酶的作用機(jī)理，然后再通過(guò)資料分析，解讀出酶的化學(xué)本質(zhì)。然而，學(xué)生通常都是從感性上分析出酶是一種什么樣的物質(zhì)，才能產(chǎn)生探究其功能的動(dòng)力。這種順序偏離了學(xué)生通常的認(rèn)知順序：發(fā)現(xiàn)→本質(zhì)屬性→作用或功能探究→影響因素的分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在教學(xué)中，教師可調(diào)整教材設(shè)計(jì)的順序，將資料分析中的現(xiàn)象作為探究的情景，設(shè)計(jì)問(wèn)題，要求學(xué)生思考設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)的方案。若學(xué)生覺(jué)得難度較大時(shí)，可引導(dǎo)學(xué)生閱讀科學(xué)家設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)思路，并以此設(shè)問(wèn)其設(shè)計(jì)的目的及優(yōu)點(diǎn)。具體設(shè)計(jì)思路見(jiàn)表1。

表1 “酶的發(fā)現(xiàn)歷程”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路

在學(xué)生分析、討論的基礎(chǔ)，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納酶的概念：酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機(jī)物，其中大多數(shù)是蛋白質(zhì)。為了便于學(xué)生更加深入理解酶概念的內(nèi)涵與外延，教師可設(shè)計(jì)問(wèn)題：酶合成的場(chǎng)所在哪？酶的化學(xué)本質(zhì)是什么？其基本單位是什么？如何進(jìn)行檢測(cè)？聯(lián)系生活實(shí)際，思考酶離開(kāi)活細(xì)胞能否發(fā)揮催化作用？學(xué)生通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的求解，可以更加完善酶概念的內(nèi)涵與外延。

2 順著學(xué)生的認(rèn)知疑點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究概念本質(zhì)和酶的高效性

在獲知酶的概念之后，學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生一系列的認(rèn)知疑點(diǎn)：怎么驗(yàn)證酶具有催化作用呢？酶是怎么發(fā)揮催化作用的呢？與無(wú)機(jī)催化劑相比，酶的催化效果如何呢？教師可以順著這些認(rèn)知疑點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，逐步完善學(xué)生的認(rèn)知。

在過(guò)氧化氫在不同條件下分解實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，教師可列表設(shè)計(jì)出四組試管中添加的物質(zhì)以及處理方式（表2），提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：①對(duì)照組是哪一支試管？②試管2、3、4分別與試管1對(duì)照，能得出什么結(jié)論？③試管3、4加入的均屬于催化劑，與試管2一樣均可促進(jìn)H2O2溶液的分解，其作用原理與90℃水浴加熱是否相同？

表2 H2O2在不同條件下分解的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于問(wèn)題③的分析，學(xué)生難以理解清楚。這時(shí)，教師可借助于活化能的概念，提出問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生思考：分子要參加反應(yīng)需要什么條件？達(dá)到活化能所需的能量一般來(lái)自于什么？活化能的高低與化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的難易程度有何關(guān)聯(lián)？學(xué)生聯(lián)系化學(xué)學(xué)習(xí)中有些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生需要加熱的條件，可判定出：活化能所需的能量一般是吸收周圍環(huán)境的熱量，活化能越高，加熱的溫度越高，反之可在常溫下進(jìn)行。就此，學(xué)生即可領(lǐng)悟出90℃水浴加熱之所以加速H2O2溶液分解的原因：通過(guò)加熱，提供能量給H2O2分子，使其達(dá)到所需的活化能，從而快速分解。如何引導(dǎo)學(xué)生分析試管3、4中H2O2分解加快的原因，是教學(xué)的重難點(diǎn)。教師可設(shè)計(jì)問(wèn)題：作為催化劑的FeCl3、H2O2酶能否像試管2那樣提供能量，有助于H2O2分子達(dá)到活化能呢？學(xué)生根據(jù)達(dá)到活化能所需能量的來(lái)源，很容易得出答案。然后，教師再聯(lián)系活化能的高低與化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的容易程度，設(shè)計(jì)問(wèn)題：催化劑的作用與活化能的變化有何關(guān)聯(lián)？引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)人教版必修1教材中第80頁(yè)圖5-1、5-2展開(kāi)討論分析，即可得出催化劑作用的機(jī)理為通過(guò)降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

為了研究酶催化具有高效性，教師可引導(dǎo)學(xué)生分析試管3與4的比較，提出問(wèn)題：既然作為催化劑的FeCl3溶液和酶，都是通過(guò)降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。為何試管4反應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試管3呢？從而引導(dǎo)學(xué)生歸納出酶降低活化能的作用遠(yuǎn)高于無(wú)機(jī)催化劑，說(shuō)明酶的催化具有高效性。

通過(guò)“催化性→活化能→高效性”這些疑點(diǎn)逐個(gè)突破的過(guò)程，教師還可指導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中變量控制方法以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要遵循的原則，為進(jìn)一步探究酶的專一性和影響因素打好基礎(chǔ)。

3 緊扣學(xué)生的認(rèn)知難點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究酶的專一性

美國(guó)教育家艾里克森說(shuō)過(guò)，如果沒(méi)有理解一個(gè)概念的難點(diǎn)，概念的學(xué)習(xí)只能停留在較低的認(rèn)知水平，學(xué)生也就只能對(duì)相關(guān)的事實(shí)進(jìn)行死記硬背。這就需要教師在課堂教學(xué)中緊扣學(xué)生在概念認(rèn)知中的難點(diǎn)，明確探究的方向，精心設(shè)置問(wèn)題情景或材料情境，給與學(xué)生充分的選擇空間，在嘗試中選擇實(shí)驗(yàn)方案，利用批判性思維指導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)討論，最終引導(dǎo)學(xué)生自由成長(zhǎng)。

在進(jìn)行“酶專一性”的教學(xué)中，教師首先可引導(dǎo)學(xué)生閱讀酶作用專一性的概念：每一種酶只能催化一種或一類化學(xué)反應(yīng)。其中“一對(duì)一的關(guān)系”是這個(gè)概念的認(rèn)知難點(diǎn)，也是探究的核心問(wèn)題。為了在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生理解該問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，教師可提供淀粉酶、淀粉溶液、蔗糖酶、蔗糖溶液、碘液、斐林試劑等以及其他必需的實(shí)驗(yàn)器材，要求學(xué)生設(shè)計(jì)驗(yàn)證專一性的實(shí)驗(yàn)。教師要提醒學(xué)生特別注意檢測(cè)試劑的選擇，并引導(dǎo)學(xué)生分析出選擇與否的原因。大多學(xué)生很容易設(shè)計(jì)出同一種酶催化兩種不同的底物，如取兩支試管，依次加入等量的淀粉溶液、蔗糖溶液以及等量淀粉酶或蔗糖酶。對(duì)于檢測(cè)試劑的使用，一部分學(xué)生選用碘液，一部分選用斐林試劑。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論表明，學(xué)習(xí)應(yīng)該是認(rèn)知主體的內(nèi)部心理過(guò)程，學(xué)生才是信息加工的主體。因此，對(duì)于學(xué)生的選擇，教師不要急于給出判斷，而是要求學(xué)生說(shuō)出選用的理由。在批判與修訂中完成結(jié)果的分析，在對(duì)第一種實(shí)驗(yàn)方案分析之后，教師還可以提出疑問(wèn)：還有沒(méi)有另一種方案呢？經(jīng)過(guò)討論之后，學(xué)生會(huì)提出不同酶催化相同底物：由于存在淀粉和蔗糖這兩種底物，因此，又存在兩種實(shí)驗(yàn)，即底物均為等量的淀粉或蔗糖溶液，兩支試管中依次加入等量的淀粉酶、蔗糖酶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測(cè)同樣需要學(xué)生分析出理由。最后，教師可聯(lián)系蛋白質(zhì)多樣性的特點(diǎn)以及蛋白酶可催化所有蛋白質(zhì)水解，從而促進(jìn)學(xué)生理解每一種酶可催化一類化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

4 創(chuàng)設(shè)學(xué)生的認(rèn)知沖突，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究溫度、pH影響酶的活性

認(rèn)知沖突是指認(rèn)知主體已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新知識(shí)或新情境之間不能包容，或不同認(rèn)知主體對(duì)某一問(wèn)題存在不同看法的現(xiàn)象。在教學(xué)中，教師可引導(dǎo)學(xué)生將基于對(duì)生物學(xué)認(rèn)識(shí)的預(yù)期判斷與已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)或內(nèi)容進(jìn)行碰撞，使學(xué)生形成認(rèn)知沖突，再加以點(diǎn)撥，以服務(wù)于教學(xué)。

影響酶促反應(yīng)速率的因素除了底物和酶的濃度之外，酶活性的控制同樣重要。因此，教材中設(shè)計(jì)了溫度、pH影響酶活性的實(shí)驗(yàn)。教師可給肝臟研磨液（含過(guò)氧化氫酶）、過(guò)氧化氫溶液、淀粉酶、可溶性淀粉溶液等實(shí)驗(yàn)材料，以及碘液、斐林試劑檢測(cè)試劑，提出問(wèn)題：若進(jìn)行探究溫度影響酶活性實(shí)驗(yàn)中，可選擇哪一組實(shí)驗(yàn)材料，為何不選另一組材料？教師可引導(dǎo)學(xué)生回憶酶高效性的探究過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生捕捉到“過(guò)氧化氫在受熱情況下會(huì)自動(dòng)分解”的點(diǎn)，讓他們產(chǎn)生“高溫下的過(guò)氧化氫水解是溫度變高，還是酶活性變強(qiáng)的緣故呢？”的認(rèn)知碰撞。這樣，學(xué)生就會(huì)在探究溫度影響酶活性實(shí)驗(yàn)中，棄選肝臟研磨液（含過(guò)氧化氫酶）與過(guò)氧化氫溶液，而選擇淀粉酶。但對(duì)于探究pH影響酶活性實(shí)驗(yàn)材料、鑒定試劑的選擇，學(xué)生卻無(wú)法準(zhǔn)確選擇，教師可補(bǔ)充適當(dāng)?shù)恼J(rèn)知基礎(chǔ)：淀粉為高分子化合物，一定條件下可以水解，可加入稀硫酸并加熱。在這樣的認(rèn)知基礎(chǔ)引導(dǎo)下，學(xué)生同樣會(huì)產(chǎn)生“酸性條件下淀粉的水解是H+的催化，還是淀粉酶的催化呢？”的認(rèn)知碰撞，從而順理成章地選擇肝臟研磨液（含過(guò)氧化氫酶）與過(guò)氧化氫溶液作為實(shí)驗(yàn)材料。學(xué)生在提供選擇與棄選的理由時(shí)，辯證性思維既能得到充分地錘煉，也能更好地理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，從根本上提高科學(xué)探究能力。

學(xué)生的認(rèn)知是再學(xué)習(xí)的基石，探究能力的培養(yǎng)是提高社會(huì)適應(yīng)能力的保障，教學(xué)的最終目標(biāo)是要通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)，提高其對(duì)未知事物的探究、發(fā)現(xiàn)和利用能力。教師在教學(xué)中，要立足于學(xué)生的認(rèn)知，根據(jù)認(rèn)知邏輯，順著認(rèn)知疑點(diǎn)，緊扣認(rèn)知難點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生分析、探究未知知識(shí)，以提高其應(yīng)用新知識(shí)的能力。