基于5E教學模式提升核心素養的“探究酶催化的高效性”實驗

汪祝兵

摘 要：本文運用5E教學模式，通過探究實驗、教材實驗，引導學生積極動手動腦，歸納總結實驗中各種變量的概念和實驗設計原則，最后加以運用，全面提升了核心素養特別是科學思維和科學探究能力。

關鍵詞：5E教學模式;核心素養;酶;高效性

一、5E教學模式簡介

美國教育家Bybee首先提出了5E教學模式，其初衷是幫助學生構建科學概念，其組成內涵如下：

（一）引入：教師根據學生已有概念，創設情境，引發學生已有知識和情境之間產生認知沖突，是實現概念轉變的重要策略，能激發學生的探究欲望。

（二）探究：教師不直接給出答案，而是提供給學生探究的機會，通過動手操作和動腦思考，建立聯系，發現規律，促進概念轉變。

（三）解釋：學生根據引入和探究的活動結果，概括說明自己對于概念的理解，教師對概念的內涵給予進一步的補充，進而有助于學生深入理解概念。

（四）精致：教師提供新的情境，學生應用概念，在解決新的問題中獲得更深刻的理解，達成對概念的拓展和建構。

（五）評價：教師評估每一位學生的理解水平，可以通過提問、紙筆測試和小組討論等方式進行。教師更需要考查學生對于新概念的應用，例如：提出一些開放性問題來評價學生的理解和應用。

劉恩山教授課題組研究提出5E教學模式對我國學生提升核心素養也有重要作用，特別是其將探究作為其中的關鍵環節，要求學生學會觀察、提出問題、分析問題、提出假設、設計實驗、實施方案、交流討論，這些活動有利于提升核心素養。

二、5E教學模式的實驗活動

（一）實驗引入

教學過程：教師進行了如下實驗，三支試管分別加入5mL淀粉，5mL淀粉加上2滴稀硫酸，5mL淀粉加上2滴淀粉酶，放置在37℃恒溫水浴鍋中幾小時后，但忘記標記試管，請大家確認對應關系？能夠得出酶具有高效性的結論嗎？經過大家的討論分析，由于淀粉能夠被催化劑分解，最渾濁的是淀粉溶液，最清澈的應該是淀粉加上淀粉酶。對于酶的高效性有人認為可以證明，也有同學認為不能證明。

教學目的：教材先用淀粉酶和淀粉完成酶的專一性實驗，本人考慮到“探究酶的高效性”實驗相對簡單，但其對實驗設計的原理和原則有很好的教育作用，因此調換了教材的教學順序。為什么不用淀粉和淀粉酶探究酶的高效性呢？引發學生的思維沖突，且有利于后續探究實驗的開展和實驗的理性分析，便于學生理解不同的實驗需要選擇不同的材料。直接利用過氧化氫酶進行實驗，學生無法理解選材的重要性。

（二）自主探究

教學過程：教師展示問題，淀粉酶和硫酸都可以催化淀粉分解，哪個的效率更高一些？有人說試管澄清度高就可以說明，但是大部分人覺得現象不夠明顯。引導提出關鍵問題：要證明酶的效率高，需要確定淀粉被分解得多。如何證明淀粉是否完全水解？如何證明催化劑反應前后化學性質不變？同學們積極思考討論，教師適當引導，關鍵是確認3支試管是否有催化劑、淀粉和淀粉水解物，例如：要確定僅2號試管有酸性物質，1號和3號中性;淀粉、淀粉酶、淀粉水解產物可以分別用碘液、雙縮脲試劑和本尼迪特試劑檢測。經過引導和同學們激烈爭論后，達成共識：先用玻璃棒分別蘸取3支試管中的一滴液體，利用pH試紙檢測酸堿性。然后將試管液體平均分成3份，編號為1A、1B、1C、2A、2B、2C……分別加入碘液、雙縮脲試劑和本尼迪特試劑進行檢測，其結果為：（1）pH檢測：2號明顯酸性，1號和3號中性;（2）產物檢測：1號大量紅黃色沉淀，2號少量紅黃色沉淀，3號沒有反應;（3）淀粉檢測：1號沒有淀粉，2號和3號深藍色且沒有差異;（4）蛋白質檢測：3支試管都沒有紫色。此時引起爭論，有同學認為酶已經參與反應了，有同學提出反對意見說硫酸反應后仍然存在，酶應該也存在，只是酶含量太少，檢測不出來，建議用酶試劑直接檢測，結果有淡紫色。教師鼓勵同學們課后去查雙縮脲試劑檢測蛋白質的原理及優缺點。讓同學們明白了雙縮脲試劑檢測蛋白質其顏色與蛋白質的含量、肽鍵的數目有關。

教學目的：教師不直接告訴同學們結果，而是鼓勵大家利用已有知識進行探究，經過觀察現象、提出問題、設計方案、實施方案、得出結論、交流總結，在探究中提升了實驗操作、團隊合作和創新能力。對于實驗結果的預測和解釋，特別是雙縮脲試劑檢測結果和預期不一致，大家能夠科學地分析原因，查找證據并驗證，是科學探究的重要組成部分。

（三）分析解釋

教學過程：同學們根據1號和2號試管分析實驗的自變量？因變量？無關變量？能得出酶具有高效性嗎？教師適當引導后得出該實驗自變量是催化劑的種類，因變量是淀粉分解的速率，無關變量有淀粉的含量、溫度等。通過對自變量和無關變量的分析和設置得出對照實驗中的對照組和實驗組的概念，同時得出實驗設計應該遵循的原則有單一變量原則、對照原則和平行重復原則。

教學目的：教師沒有直接照本宣科地告訴學生實驗中各種變量的概念，而是根據內容，請同學們分析得出概念，這有利于培養學生的科學思維，有利于學會并運用控制變量及實驗設計的基本原則。分析幾支試管反應得出淀粉酶含量低，很難檢測出來，卻能將淀粉完全分解，可以得出淀粉酶催化效率高于硫酸，也有利于形成生命觀念。

（四）概念精致

教學過程：利用淀粉酶和硫酸也可以證明酶具有高效性，請同學們分析上述高效性實驗的不足之處。一是實驗現象不明顯，二是反應時間過長。此時，教師安排同學們快速閱讀“探究酶催化的高效性”活動，分析實驗的相關變量和實驗原則。同學們分組進行分析，得出自變量是催化劑的種類，因變量是H2O2的分解速率，檢測指標是氣泡產生的速率。實驗中應該保證自變量用量一致，保證反應物用量一致，保證反應時間一致等。馬上就有同學指出課本所用的無機催化劑是粉末狀的MnO2，很難控制用量，因此實驗將MnO2用FeCl3溶液代替，且催化劑用量都是兩滴。

教學目的：該實驗內容相對簡單，如果直接讓學生進行操作或者教師演示，可以得出實驗結論，但不利于培養學生核心素養，特別是實驗中涉及的相關變量的概念和實驗設計原則，而讓學生根據內容總結，發現課本實驗的不足，進行適當調整，培養了批判性思維，更做到活學活用。也讓學生明白了，實驗目的不同選擇的材料應該不同。

（五）總結評價

教學過程：教師提出問題高效性實驗中試管里產生的氧氣量一樣多嗎？如何驗證？對于這個問題很多同學的第一反應是1號試管產生的氧氣多，但很快有同學提出不同意見，認為一樣多，因為2號試管產生氣泡的時間更長。同學們反映只要把氧氣收集起來，比較多少就可以了。此時教師介紹實驗臺設備：鐵架臺、試管架、具支試管、注射器等。帶領大家提出關鍵問題：（1）如何控制H2O2、催化劑用量一致？（2）如何避免催化劑和H2O2提前接觸？（3）如何保證實驗同步？（4）如何收集氧氣？大部分問題前面已經討論，對于催化劑是直接滴加在試管里還是放在注射器里，大家有不同想法，最后大家覺得注射器里應該裝的是液體，便于注射。氣體收集就是利用氣球，并固定在具支試管上。經過討論和教師引導后設計了如下的改進實驗裝置：將試管夾固定在鐵架臺上，兩側各夾一支具支試管，分支側綁定氣球，試管口用試管塞塞緊，試管塞上插有注射器針頭（圖1）。最后完善實驗步驟如下：（1）兩支試管中分別滴加兩滴催化劑;（2）注射器吸取等量H2O2;（3）將注射器針頭插入試管塞，并塞緊試管塞;（4）同時注入H2O2，觀察氣泡產生和氣球變化情況。結果幾分鐘后大部分小組的兩邊氣球大小相同，個別小組由于氣密性原因大小差別較大。

教學目的：對于學生的評價可以采用紙筆測試，小組討論，概念圖等形式開展，而本節的學習內容變量控制和實驗原則，通過測試更多地是考查學生的記憶，沒有靈活運用，而采用探究實驗的方式，更能夠考查學生對概念的掌握和理解。通過設計探究實驗，培養了科學思維和科學探究，有利于形成生命觀念特別是物質和能量觀、局部和整體觀、穩態與平衡觀。

三、實驗活動反思

“探究酶催化的高效性”實驗以前的教學模式是直接讓同學們完成實驗，然后教師講解實驗中的相關內容，分析如何控制變量，最后得出實驗設計的一般原則，學習了知識但是沒有培養核心素養，且很多學生不理解教材中酶的高效性選擇過氧化氫而不用淀粉為材料。而本文運用5E教學模式，改變課本實驗安排，利用淀粉酶催化淀粉分解引入，引導同學們探究試管內的成分，通過分析實驗總結出實驗中相關變量的概念和實驗設計原則，然后通過精致概念分析課本實驗的一些不足加以修正，完成教材實驗，這一過程加深了對于概念的認識。另外本文的另一創新是對于學生的評價是設計并完成探究實驗，區別于傳統的紙筆測試和概念圖等，進一步考查了知識的靈活運用。

參考文獻

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[3]方淳.“酶的催化效率”實驗的幾種不同改進方式[J].生物學通報.2014（3）：49-50.

本文為浙江省2017年規劃課題“基于核心素養提升的高中生物實驗教學研究”研究項目，課題編號為G1703601482。