對(duì)新教科書“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究——基于2019年人教版和2020年滬科版的比較研究

高 科 楊凱鈞 朱家華

（臨沂大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 山東臨沂 276000）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“分子與細(xì)胞”模塊的“教學(xué)提示”中指出，教師要組織好觀察、實(shí)驗(yàn)等探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，幫助學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí)，領(lǐng)悟科學(xué)探究方法。“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)說明，酶比無機(jī)催化劑具有更強(qiáng)的降低化學(xué)反應(yīng)活化能的作用，體現(xiàn)了酶的“高效性”的特點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有助于幫助學(xué)生理解“細(xì)胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞的特定區(qū)域”這一重要概念，并促使學(xué)生在探究中學(xué)會(huì)分析使用控制變量法，通過類比分析，進(jìn)而理解“降低活化能”的內(nèi)涵，發(fā)展科學(xué)思維能力。通過對(duì)比2019年版人民教育出版社、2020年版上海科技教育出版社高中生物學(xué)教科書，對(duì)如何開展好該實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了思考與討論。

1 對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比較

1.1 實(shí)驗(yàn)在教科書中的所處位置比較分析

本實(shí)驗(yàn)旨在通過研究過氧化氫酶和氯化鐵溶液對(duì)過氧化氫溶液的分解作用來發(fā)現(xiàn)酶的高效性。兩個(gè)版本都利用了動(dòng)物肝臟研磨液作為實(shí)驗(yàn)材料，都將其放在“酶”的相關(guān)章節(jié)中。在完成對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)習(xí)之后，學(xué)生實(shí)施該實(shí)驗(yàn)，有利于理解酶作為生命活動(dòng)的催化劑。教師結(jié)合酶的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行組織教學(xué)，利用實(shí)驗(yàn)探究，加深學(xué)生對(duì)于酶的相關(guān)知識(shí)的理解和學(xué)習(xí)，并為學(xué)生之后學(xué)習(xí)呼吸作用等重要的生理活動(dòng)提供了一定的基礎(chǔ)。

1.2 實(shí)驗(yàn)探究目標(biāo)的比較分析

在人教版教科書中，該實(shí)驗(yàn)探究的主要內(nèi)容是酶的高效性與催化作用，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)照研究，能夠得出酶有催化作用且具有高效性的結(jié)論。關(guān)于酶的性質(zhì)與特性并未在該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)涉及，而是在后面的章節(jié)中集中學(xué)習(xí)，凸顯了實(shí)驗(yàn)主題，引導(dǎo)學(xué)生專注于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本身，一方面得出“酶比無機(jī)催化劑具有更強(qiáng)的降低化學(xué)反應(yīng)活化能的作用”這一結(jié)論，另一方面，經(jīng)過類比分析，理解“降低活化能”的內(nèi)涵。

滬科版教科書將本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與酶的專一性和環(huán)境因素對(duì)于酶的活性的影響進(jìn)行了整合，將相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論都放在本實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證，所以在實(shí)驗(yàn)的過程中會(huì)有較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)器材。教學(xué)中，教師和學(xué)生需要厘清問題主線和探究目標(biāo)，挖掘不同實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)彼此之間的邏輯聯(lián)系。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料用具的比較分析

人教版教科書中，該實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)材料相對(duì)簡(jiǎn)單，大部分的高中學(xué)校都能夠達(dá)到該實(shí)驗(yàn)條件，有利于學(xué)校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。滬科版的教科書所采用的實(shí)驗(yàn)器具相對(duì)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析也相對(duì)復(fù)雜。從表1可以看出，兩本教科書的用具、材料選擇方面有較大區(qū)別。在實(shí)施過程中，在適用性方面存在一定的差異，人教版教材的實(shí)驗(yàn)用具要求更符合普通學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室要求；而滬科版的實(shí)驗(yàn)用具雖然復(fù)雜，但有助于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模思想、跨學(xué)科思維整合能力。兩者對(duì)比，各有特色。

表1 人教版與滬科版實(shí)驗(yàn)材料選擇比較

1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)的比較分析

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)上，兩版教科書都重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，重視探究實(shí)驗(yàn)，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究。人教版的教科書在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上更加注重于科學(xué)思維的培養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上采用了較為直接簡(jiǎn)單的思路和方法。人教版教科書遵循“提出問題—作出假設(shè)—制定計(jì)劃—實(shí)施計(jì)劃—得出結(jié)論—表達(dá)與交流”的探究性實(shí)驗(yàn)邏輯。滬科版的教科書在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上以驗(yàn)證性和探究性相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)思路，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，由于內(nèi)容復(fù)雜、操作程序繁瑣，書中大量的篇幅在詮釋實(shí)驗(yàn)基本程序，留給學(xué)生自主探究的余地相對(duì)較少。總的來說，滬科版的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、操作能力和思維能力提出了更高要求。反觀人教版，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單且可操作性更強(qiáng)。所以，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)的比較分析可看出，人教版的教科書更適宜用于新授課的學(xué)習(xí)，而滬科版的教科書則擁有更豐富的深化學(xué)習(xí)空間。教師在使用中應(yīng)善于把握兩本教科書的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)情靈活使用。

1.5 實(shí)驗(yàn)中討論題比較分析

兩版教科書中都設(shè)置了4道討論題（表2）。分析發(fā)現(xiàn)，人教版教科書中設(shè)計(jì)的討論題，分別對(duì)標(biāo)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)4個(gè)維度，4個(gè)問題分別指向科學(xué)思維、生命觀念、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任4個(gè)方面。而滬科版的教科書所設(shè)計(jì)的問題主要是集中在實(shí)驗(yàn)本身的深度理解，提出的問題有深度。從該內(nèi)容看，人教版的教科書對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)更顯化。

表2 人教版與滬科版實(shí)驗(yàn)討論題比較

2 對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的建議

2.1 實(shí)驗(yàn)材料的建議

通過耿旭珂等的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)真菌材料——香菇可替代動(dòng)物肝臟進(jìn)行“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)，香菇方便易得，便于保存，且含有大量過氧化氫酶，代替動(dòng)物肝臟進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)可以避免肝臟易腐敗等諸多弊端。建議本實(shí)驗(yàn)可以采用更為優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)材料——香菇，因其有大量的過氧化氫酶，有著動(dòng)物肝臟所不具有的優(yōu)勢(shì)。香菇的保存時(shí)間更長(zhǎng)，也可以避免動(dòng)物肝臟容易腐爛、不易保存的問題。另外，香菇可以降低學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，能避免反應(yīng)過快而產(chǎn)生的大量泡沫飛濺，傷到同學(xué)。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的建議

對(duì)比教科書中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，新鮮的肝臟研磨液催化分解過氧化氫的速度極其迅速，如果滴加的量稍多，瞬時(shí)產(chǎn)生的大量泡沫有時(shí)會(huì)飛濺到實(shí)驗(yàn)者臉上，傷到實(shí)驗(yàn)者。且該實(shí)驗(yàn)所采用的儀器是試管，由于試管是敞口的，不利于對(duì)氣體進(jìn)行收集。鑒于此，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖1所示。在分液漏斗中加入過氧化氫溶液，錐形瓶中放入氯化鐵溶液或者香菇提取液形成對(duì)照，反應(yīng)充分后打開橡膠管上的夾子，觀察衛(wèi)生香的燃燒情況。用衛(wèi)生香的燃燒程度判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用時(shí)間的長(zhǎng)短來反映產(chǎn)生的氧氣量的多少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更易于觀察。這樣有助于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加具有說服力，學(xué)生處理起來更為簡(jiǎn)便。利用該實(shí)驗(yàn)裝置能夠提高實(shí)驗(yàn)成功率，且安全程度更高。

圖1 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟示

3.1 應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)選材恰當(dāng)

在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)材料的選擇應(yīng)體現(xiàn)取材便捷、無毒環(huán)保、現(xiàn)象明顯等特點(diǎn)。而在組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，本實(shí)驗(yàn)可以優(yōu)先選擇香菇作為更安全、便捷的實(shí)驗(yàn)材料，并提前進(jìn)行一定的預(yù)實(shí)驗(yàn)來確保實(shí)驗(yàn)的可行性。

3.2 應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)的探究性

探究性是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)屬性。學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)的過程時(shí)，就是經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)問題—作出假設(shè)—制定計(jì)劃—實(shí)施計(jì)劃—得出結(jié)論—表達(dá)交流”的過程，利用科學(xué)方法收集證據(jù)，基于知識(shí)基礎(chǔ)去推理、判斷結(jié)論的合理性，不僅觀察得到了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還培養(yǎng)了思考和解決問題的能力。因此，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置應(yīng)當(dāng)盡量回歸其探究本質(zhì)。教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)盡可能在探究性實(shí)驗(yàn)的一般過程中設(shè)置問題和思考，達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)作為探究性實(shí)驗(yàn)，是有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，是核心素養(yǎng)中科學(xué)探究部分的落實(shí)。

3.3 注重發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)

兩個(gè)版本教科書在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)既有各自的特點(diǎn)，也有共性之處：對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)絕不僅限于實(shí)驗(yàn)探究本身，還關(guān)注學(xué)生在科學(xué)思維方面的發(fā)展。人教版教科書設(shè)計(jì)了豐富的問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究設(shè)計(jì)、類比分析，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出結(jié)論；滬科版教科書則關(guān)注學(xué)生的圖表分析能力、數(shù)學(xué)建模能力等多種跨學(xué)科思維的應(yīng)用。兩個(gè)版本的教科書在編寫中都指向?qū)W(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，對(duì)今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展帶來了啟示與思考。