優化實驗教學 建構重要概念

蔡燕

[摘 要]以新人教版生物學教材必修1第五章第一節《降低化學反應活化能的酶》的實驗教學為例，從多個角度優化實驗教學，進而實現對生物學重要概念的建構。

[關鍵詞]實驗教學;重要概念;化學反應活化能;酶

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）08-0086-02

生物學是一門以實驗為基礎的科學，通過實驗來研究和認識事物是生物學的突出特征，離開了實驗，生物學的概念、原理也就失去了基礎。實驗教學是生物學課程的特點，是生物學教學的基本形式之一。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》強調“要高度關注教學過程中的實踐，通過探究實驗加深學生對生物學概念的理解”。

《降低化學反應活化能的酶》是人教版生物學教材必修1第五章第一節的內容，此課有一個重要的實驗：比較過氧化氫在不同條件下的分解，這是一個驗證性實驗，目的是驗證過氧化氫酶在細胞代謝中的作用。實驗的內容和對象都是規定好的，照著課本按部就班地做實驗即可。這種“配方”式的實驗教學能夠呈現生物學事實，但缺少學習的樂趣。建構主義學習理論認為，學生是學習的主體，是知識的主動建構者，只有在學生積極參與時，建構活動才可能發生。教學活動中應當喚起學生的求知欲，激發學生的學習興趣，促使他們不斷思考與探究。鑒于此，筆者嘗試優化《降低化學反應活化能的酶》的實驗教學，以促進學生建構重要概念。

一、重要概念的認識

重要概念是處于學科中心位置，對學生學習具有引領作用的基礎知識，它能夠將零散的知識系統化和條理化。生物學的重要概念應該是學生在將來遺忘了一些學過的具體生物學事實后，仍能長時間保留的主干知識，包括對生物學原理、理論等的理解和解釋。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確提出“教師在設計和組織每個單元的教學活動時，應該圍繞大概念和重要概念展開”“所有的教學活動都要有利于促進學生對生物學概念的建立、理解和應用”。認真分析和梳理《降低化學反應活化能的酶》第一課時，發現其重要概念包括降低化學反應活化能的酶、控制變量（自變量、因變量、無關變量）、對照實驗（對照組、實驗組）等。

二、實驗教學的設計

1.創設情境，提出探究性問題

教師先引入俗語“人是鐵，飯是鋼，一頓不吃餓得慌”，再設計探究性問題“營養物質中的能量是如何被細胞所利用的？這些能量的最終源頭是如何進入細胞的？”，接著闡述“對細胞來說，能量的供應和利用都必須經過復雜的化學反應，細胞中每時每刻都進行著許多化學反應，統稱為細胞代謝，而這些化學反應離不開一種物質……”，最后讓學生欣賞視頻“加酶農作物的神奇變化”，并提問：“視頻中的農作物在噴灑了酶溶液后為何能夠長得如此巨大？酶在細胞代謝中起什么作用？它是怎樣起作用的？”從而導入新課。

設計意圖：聯系生活實例引入，利用合理的視頻資源，抓住學生的興趣點創設問題情境，以吸引學生的注意力，促使學生主動學習。

2.問題驅動，設計探究性實驗

教師講解：細胞代謝是細胞生命活動的基礎，但在細胞代謝過程中會產生對細胞有害的物質，如過氧化氫。細胞中有一種叫過氧化氫酶的物質可將其分解為水和氧氣（化學反應式：H2O2→H2O+O2）。請學生思考：（1）該反應在常溫下能進行嗎？如何通過實驗進行檢驗？（2）有哪些方法可以加快該反應的速度？如何通過實驗進行檢驗？說出具體的實驗操作方法。（3）通過什么現象（或方法）可以檢測反應速度的快慢？

學生思考并回答：將過氧化氫溶液分別倒入3支試管中，一支放在室溫條件下，一支進行加熱，一支加入一定量的無機催化劑，觀察三支試管中的氣泡產生速度或用帶火星的木條進行檢測。

教師繼續提出問題：細胞中的過氧化氫酶的作用最可能與哪種情況相似？

學生思考討論并做出假設：可能與加入無機催化劑的情況相似，因為細胞中的過氧化氫需及時分解，而細胞不能通過加熱來提高反應速率。

教師引導學生設計實驗，將實驗材料（選用富含過氧化氫酶的組織）加入到過氧化氫溶液中，并觀察現象。最后以小組為單位補充表1的實驗步驟，并進行相關實驗，在表1中記錄實驗結果。

設計意圖：學生通過初中化學的學習對過氧化氫的分解這一過程較為熟悉。教師針對“過氧化氫酶的作用”這一重要概念，提出探究性問題“細胞中的過氧化氫酶的作用最可能與哪種情況相似？”引發學生深入思考，提出假設并進行實驗檢驗，最后得出加熱、加催化劑能夠加快反應速率。教學設計自然而又不失趣味。鑒于學生對探究性實驗的一般過程有初步的了解，但要獨立完成實驗步驟的設計難度極大，因此上述教學引導學生對表格實驗步驟進行補充以降低實驗設計難度，幫助學生有效突破學習難點，最后通過學生分組實驗，提高學生的實驗動手能力以及分析與設計實驗的能力。

在學生完成實驗的基礎上，教師繼續提出問題：（1）4支試管在實驗步驟上的不同之處是什么？引導學生得出自變量的概念;接著展示加酶洗衣粉外包裝“用溫水溶液浸泡”這一說明，以及人體不同消化液的pH值（唾液pH：6.2～7.4，胃液pH：0.9～1.5，小腸液pH：7.6），引起學生質疑：溫度或pH值的改變對酶的催化作用有何影響？教師追問：所提問題中的自變量分別是什么？（2）在2、3、4號試管中為何加入質量分數為5%的過氧化氫的量也為2 mL？（3）還有哪些因素會對實驗結果造成影響？這些因素是否是本實驗需要研究的？如何避免它們對實驗結果造成的干擾？

學生小組討論上述問題，并在教師的指導下從表1中指出實驗中的自變量、因變量、無關變量、對照組、實驗組。

設計意圖：學生在補充表格中實驗步驟的過程中，已嘗試對變量進行控制。通過第一個問題幫助學生理解自變量以及對照實驗，再通過兩個問題情境及時鞏固和加深學生對“自變量”這一重要概念的理解。通過第二個問題使學生了解無關變量，最后通過一系列層層遞進的問題串，引發學生思考并促進學生深刻理解無關變量并非與實驗“無關”，以及其需要保持相同且適宜的原因。

3.建立模型分析，加深概念理解

教師引導學生分析實驗現象，提出問題：與1號試管相比，2號試管出現什么現象？這一現象說明什么？學生回答：加熱能夠加速過氧化氫的分解。教師繼續追問：這是什么原因呢？利用圖示方法（見圖1）闡述常態、活躍狀態以及活化能的定義。舉例：汽油易被空氣中的氧氣氧化而燃燒，但常溫下一般不會自燃，只有在點火后才能燃燒。請思考加熱為何能提高化學反應速率。

接著引導學生進一步思考：比較1、3、4號試管中出現的實驗現象，分析對實驗的假設是否成立。學生沿著探究實驗的步驟分析交流實驗結果，得出結論：酶與無機催化劑相似，具有催化作用，且酶的催化作用更顯著。

教師呈現表2，請學生根據表中數據分析并回答催化作用的機理，說出酶與無機催化劑相比催化作用更顯著的原因。假定圖1為常溫下過氧化氫分解過程中的能量變化，請以小組為單位討論在加熱、加無機催化劑以及加酶后活化能的變化情況，并在圖1的基礎上建立不同條件下能量變化的數學模型（見圖2），進行交流。

設計意圖：不同條件下過氧化氫分解速率加快的原因各不相同，教師在處理“加熱”這一條件時，采用“汽油燃燒”這一生活案例，便于學生理解;處理加無機催化劑和過氧化氫酶的條件時，給出具體的活化能數據，科學直觀。引導學生進行小組討論，將各條件下作用的機理繪制成數學模型，使學生直觀、深刻地理解“酶降低化學反應活化能”這一重要概念，發展了學生的科學思維和模型構建能力。

三、教學反思

在這節實驗課中，教師對教材上的驗證性實驗加以優化，巧妙設計系列問題引發學生思考，引導學生對實驗進行深入探究，并且通過構建數學模型對實驗現象和實驗數據進行分析。在這種帶著解決問題的目的去設計、進行及分析的實驗教學中，學生是知識的主動建構者，一方面能夠深刻理解相關重要概念，另一方面也能夠逐漸養成探究的態度、方法和思維。

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

（責任編輯 黃春香）