情境教學在高中生物學課堂中的應用

張佳音 梁婧 梁小航 郭成 張華禎 張念楠 徐振軍 莫顯紅

摘 要：本文歸納總結情境教學在生物學課堂中的作用，提出情境教學用于“酶的作用和本質(zhì)”課堂學習的實施策略并進行教學設計。結合“科學·技術·社會”欄目創(chuàng)設生活化情境導入新課，設計“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗探究酶的作用，利用教材中的示意圖創(chuàng)設直觀情境解釋酶的作用機理，運用“問題·討論”欄目中“關于酶本質(zhì)的探索”創(chuàng)設科學史情境掌握酶的本質(zhì)。

關鍵詞：情境教學；高中生物學；酶；教學應用

中圖分類號：G633.91? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）09-0111-04

以核心素養(yǎng)為宗旨是《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）的重要理念[1]。課程標準對高中生物學教學提出了新的要求，教師不僅要關注學科知識，更要培養(yǎng)學生的生命觀念、科學思維、科學探究以及社會責任，即生物學科核心素養(yǎng)的四個方面。然而，如何轉(zhuǎn)變教學策略，增強生物學教學的有效性，發(fā)展生物學科核心素養(yǎng)，成為教師的關注點。

情境教學是教師為實現(xiàn)教學目標，創(chuàng)設或營造與教學內(nèi)容相適應的場景或氛圍，以引起學生的情感體驗，使學生快速理解和掌握知識，利于學生心理機能發(fā)展的一種教學方法[2]。情境教學可分為生活化、實驗化、直觀化、科學史等情境的教學，對高中生物學教學具有重要意義。高中生物學教材必修1和必修2的開篇都安排了“科學家訪談”欄目，體現(xiàn)了情境教學在生物學教學中的重要性，并且教材中的每節(jié)內(nèi)容都以“問題探討”“探究·實踐”“思考·討論”等情境創(chuàng)設的形式編排，進一步體現(xiàn)了情境教學的重要性。教師通過情境教學培養(yǎng)學生的知識遷移能力，促進生物學科核心素養(yǎng)的落實。在“問題探討”中斯帕蘭扎尼的探究實驗、“問題·討論”欄目中“關于酶本質(zhì)的探索”“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗等，均是情境教學的良好素材。

1 情境教學在高中生物學課程學習中的作用

1.1 生活化情境在課程學習中的作用

生物學科是研究生命現(xiàn)象揭示生命活動規(guī)律的一門科學，要求學生把所學知識應用于生活，對生命現(xiàn)象進行剖析，培養(yǎng)學生科學實踐和思維創(chuàng)新的能力[3]。例如在教材的“問題探討”“科學·技術·社會”等欄目中，有許多專題與生命活動緊密聯(lián)系，有助于學生形成物質(zhì)與能量觀。在“酶為生活添姿彩”專題中，以多酶片、含酶牙膏、加酶洗衣粉與普通洗衣粉等生活物品為例，敘述酶在生產(chǎn)、生活中的應用。

1.2 實驗情境在課程學習中的作用

課程標準提高了對學生實驗能力的要求[4]。將教材中的實驗情境用于教學，增強課堂的活躍度，不僅使學生掌握了知識，還使學生的實驗設計、分析問題的能力得到提升[5]。在“探究·實踐”欄目中的“比較過氧化氫在不同條件下分解”這一實驗，通過對比實驗現(xiàn)象能夠很好地體現(xiàn)酶的作用，加深學生對生命現(xiàn)象的記憶、深刻領悟自然科學的規(guī)律，增強科學探究能力。因此本文參考教材“比較過氧化氫在不同條件下的分解”的實驗并加以優(yōu)化，創(chuàng)設實驗情境，應用于課堂教學。

1.3 直觀情境在課程學習中的作用

直觀教學的教具是多樣化的，教室的掛圖、教材中的插圖、幻燈片中的照片或視頻等，都在于激發(fā)學生的興趣，幫助學生理解所學知識[6]。在高中生物學科的知識體系中有很多微觀且復雜的知識，教材中設置的插圖化抽象為直觀從而輔助學生理解這些晦澀難懂的知識。此外對于一些動態(tài)的生理過程，如呼吸作用、光合作用、酶能降低化學反應活化能的作用機理等，通過網(wǎng)絡資源如視頻、動畫等教具將知識直觀的呈現(xiàn)給學生，幫助學生理解和形成相應的概念[7]。運用教材“酶降低化學反應活化能示意圖”和“汽車正常駛過高山與汽車通過隧道穿過高山”類比正常化學反應與有催化劑的化學反應的動畫，幫助學生理解酶的作用機理，逐步培養(yǎng)學生的生物學科核心素養(yǎng)[8]。

1.4 科學史情境在課程學習中的作用

課程標準中提出應注重生物科學史的學習[9]。在新版教材的“生物科學史話”“思考·討論”等欄目到科學家的探究情境，在“關于酶本質(zhì)的探索”中講述了巴斯德、李比希、畢希納、薩姆納等諸多科學家對于酶本質(zhì)的探究歷程[10]。在本文學習“酶的本質(zhì)”時，利用教材中酶探究歷程創(chuàng)設科學史情境，讓學生親身感悟到科學概念是在科學的發(fā)展下逐漸變化的，從而加深對“酶是由活細胞產(chǎn)生具有催化作用的有機物，其中絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA”的理解[11]。

2 情境教學在“酶的作用和本質(zhì)”的實施策略

2.1 創(chuàng)設生活情境，引入新課

從生活及教材入手，利用教材“科學·技術·社會”欄目的內(nèi)容，在幻燈片展示加酶洗衣粉、生物酶牙膏、多酶片等日常生活用品的圖片引入酶的話題，請學生談論生活中接觸過的酶并講述對酶的了解。幻燈片播放視頻：加酶洗衣粉與普通洗衣粉的清洗效果，請學生說出視頻中觀察到的現(xiàn)象及猜測引起這種現(xiàn)象的原因，針對課題“降低化學反應活化能的酶”，鼓勵學生提出質(zhì)疑，引出本節(jié)課的課題。

2.2 實驗演示，探究“酶”的作用

本文將“比較過氧化氫在不同條件下分解”的實驗，作為演示實驗用于課堂教學的情境導入。該實驗分為對照組和實驗組，演示實驗裝置如圖1所示。通過觀察實驗現(xiàn)象，記錄相同時間內(nèi)注射器活塞移動的位置，總結不同條件下過氧化氫的分解速率，分析“酶”的高效性。在課堂中教師進行實驗演示，學生通過觀察過氧化氫與香菇提取液、FeCl3溶液反應的現(xiàn)象進行思考，探究酶的作用。

2.3 利用示意圖的直觀情境，解釋“酶”的作用

“酶能降低化學反應的活化能”是課程標準中的重要概念，通過“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗解釋酶的本質(zhì)外，還結合“酶降低化學反應活化能”的動畫圖，進行類比分析，讓學生理解“降低活化能”的內(nèi)涵。

教材中運用“基態(tài)”“活躍狀態(tài)”等名詞對“活化能”的解釋較為抽象，因此教師通過繪制化學變化中能量坐標的曲線圖，輔助解釋從基態(tài)A點到活躍狀態(tài)B點的能量差即為活化能[12]。此外，播放動畫演示分子在常態(tài)、加熱、加催化劑等不同條件下的活躍狀態(tài)，明確酶和其他催化劑的作用原理，并根據(jù)教材文字敘述結合示意圖，將化學反應比作駕車翻越一座山，進一步理解“活化能”的概念[13]。

2.4 運用科學史情境，揭示“酶”的本質(zhì)

通過教材了解我國四千年前釀酒技術以及在《康熙字典》中對“酶”的收錄和解釋，引出“酶”的概念。利用“問題探討”中斯帕蘭扎尼在研究鷹的消化作用實驗以及1835年施旺對胃蛋白酶的發(fā)現(xiàn)，引入科學家對酶的探究歷程[14]。請學生自行閱讀教材“思考·討論”欄目，了解巴斯德、李比希、畢希納、薩姆納等人對酶的探究實驗，并結合“思考·討論”中設置的討論題，以小組合作的方式，將幾位科學家觀點之間的邏輯關系構建成聯(lián)系圖，概括“酶”的本質(zhì)。

3 情境教學設計

3.1 教材分析

本節(jié)課是人教版高中生物學教材必修1第5章第1節(jié)“降低化學反應活化能的酶”第1課時的內(nèi)容，主要包括酶的作用和本質(zhì)，該部分內(nèi)容是學習細胞的能量“貨幣”ATP的基礎。學生雖已學習了細胞的基本結構、細胞的物質(zhì)輸入和輸出等知識，但對于生物體內(nèi)部微觀化學反應等知識還有待學習。

本節(jié)課用情境教學的方法貫穿整堂課。將日常生活用品導入新課，實驗演示分析總結酶的作用并將細胞內(nèi)的化學反應直觀化，運用播放動畫、文字敘述結合示意圖等直觀教學情境，進一步理解酶的作用原理。根據(jù)教材“關于酶本質(zhì)的探索”創(chuàng)設科學史情境，結合討論題組織學生小組合作，使學生建立“絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)”的重要概念。學生通過操作實驗，觀察并分析實驗現(xiàn)象，建構科學概念。

3.2 學情分析

授課對象：高一學生。

知識情況：學生對催化劑的作用有一定了解，但對“酶”的相關知識了解不多，且不熟悉設計對照實驗的基本原則。

3.2.1 教學目標

（1）通過對實驗裝置的介紹，學生能夠思考分析出實驗裝置的原理，學生的科學思維得到鍛煉，學會科學地看待實驗。（2）通過對演示實驗的觀察、實驗數(shù)據(jù)的比較、分析，總結出酶的作用，初步確立科學探究的基本思路和方法。（3）通過觀看酶作用的動圖和教材的示意圖，并思考分析能量變化的曲線圖，總結出活化能的概念、酶的作用原理，理解降低化學反應活化能的概念。（4）通過自學科學史、繪制科學家觀點的聯(lián)系圖，學生能夠認識酶的本質(zhì)，提高學生自學能力，認同科學是在爭論中不斷前進，在探索中發(fā)展的觀念。

3.2.2 教學內(nèi)容

教學重點：探究“酶”的催化作用。教學難點：實驗中控制變量的科學方法。教學方法：情境教學法。課前準備：準備實驗材料裝置、進行預實驗、課件、視頻。

教學過程：

（1）生活情境導入課題——細胞代謝需要酶

活動：幻燈片展示加酶洗衣粉、生物酶牙膏、多酶片等日常生活用品的圖片。

教師：同學們都知道圖片上的是什么嗎？

學生：加酶洗衣粉、生物酶牙膏、多酶片。

教師：是的，這些生活用品中都含有一個共同的物質(zhì)那就是——酶。這些酶都來源于生物，經(jīng)過學習的積累，誰能說出在生物體內(nèi)存在哪些化學反應？

學生：呼吸作用、光合作用。

活動：幻燈片列出呼吸作用、光合作用的表達式。

教師總結提出細胞代謝的概念：

教師：這些在細胞中每時每刻都進行著的許多化學反應稱為細胞代謝。

教師：通過觀察這些化學反應表達式，我們發(fā)現(xiàn)這些反應都有什么參與呢？它與細胞代謝有什么關系呢？

學生：酶，細胞代謝離不開酶的參與。

（2）實驗演示，師生交流、合作探究——酶在細胞代謝中的作用

細胞在代謝過程中會產(chǎn)生廢物，如過氧化氫，人體內(nèi)的過氧化氫酶可以將其分解為水和氧氣。為探究酶的作用，教師通過演示實驗向同學展示。

教師在講臺出示第1組實驗裝置：左端20mL注射器裝有2mL蒸餾水，右端20mL裝有2mL的過氧化氫溶液，推動右側(cè)活塞，請學生觀察過氧化氫的分解情況。

學生：觀察實驗現(xiàn)象并說出反應無明顯變化。

教師：提出可以盡快看到實驗現(xiàn)象的方法。

學生：可以加入催化劑。

在教師邀請下，學生上臺輔助教師演示實驗：在將第1組實驗作為對照組的基礎上，2、3、4組裝置的左端注射器分別抽取2mL熱水、2mL FeCl3溶液、2mL香菇提取液，右端注射器都抽取2mL過氧化氫溶液。推動活塞觀察現(xiàn)象。

教師：當學生觀察到3組有少量氣泡，4組有大量氣泡時，提出問題：3、4組里的什么物質(zhì)使過氧化氫分解？香菇提取液中可能含有什么物質(zhì)？由此引出“酶”是生物催化劑，并介紹“酶促反應”和“底物”的概念。

教師：展示實驗數(shù)據(jù)進行分析，學生觀察各實驗組注射器活塞移動的位置。

教師：提出問題，①通過1、2組描述的現(xiàn)象和表格的數(shù)據(jù)，說明什么？②3和4組都是未經(jīng)加熱的條件，仍出現(xiàn)了大量氣泡，這是為什么？③對比3、4組實驗的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)4組的反應速率更快一些，為什么？為什么“酶”對于細胞內(nèi)化學反應的順利進行至關重要？

設計意圖：創(chuàng)設真實的實驗演示情境，在課堂與學生一起圍繞實驗展開探究學習，有利于知識的串聯(lián)整合，達到情境交融的教學效果。

（3）直觀情境，揭示酶的作用原理

導入：酶能夠催化底物的分解，那么酶作用原理是什么？在化學中加熱能夠加快化學反應進行，其原因是它能使底物獲得能量，從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀追纸獾幕钴S狀態(tài)。請學生觀看視頻理解加熱反應中能量的變化過程。

播放“加熱能夠促進過氧化氫反應的原理”視頻，在視頻中的結尾總結了活化能的定義。

活動：教師繪制加熱狀態(tài)下化學變化中的能量坐標曲線圖。

教師：請同學在黑板上指出活化能是圖中的哪段曲線，為什么？

學生：在曲線圖中指出相應位置，并解釋原因。

過渡：在了解加熱條件下的反應變化后，對于無機催化劑Fe3+和有機催化劑過氧化氫酶這類催化劑是通過什么途徑促進反應分解的？

活動：播放動畫，演示分子在常態(tài)、加熱、加催化劑等不同條件下的活躍狀態(tài)，通過對比，學生初步理解酶等催化劑的作用原理。

教師：酶的作用原理是什么？

學生：酶能夠降低反應所需要的能量。

活動：限時一分鐘，請同學們閱讀教材結合示意圖，加深對“酶催化作用原理”的理解。

（4）自學科學史，領悟酶的本質(zhì)

科學史導入：中國早在四千年前就已掌握釀酒技術，同時《康熙字典》中也對“酶”做了收錄和解釋。在1773年意大利科學家斯帕蘭扎尼在研究鷹的消化作用實驗時尚未知曉酶這一物質(zhì)。1835年施旺發(fā)現(xiàn)了胃蛋白酶，1857年巴斯德發(fā)現(xiàn)釀酒的發(fā)酵是酵母菌存在所致，沒有活細胞參與。但是李比希認為引起發(fā)酵的是酵母菌細胞中的物質(zhì)。畢希納從細胞中獲取了含有酶的提取液，薩姆納用多種方法證明脲酶是蛋白質(zhì)。20世紀80年代切赫和奧特曼發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化功能。那么“酶”到底是什么物質(zhì)？請同學通過填寫教材中的圖表并進行思考。

教師搭建支架，給出問題進行提示：一是“酶”產(chǎn)生的部位；二是“酶”的作用；三是“酶”的化學本質(zhì)。

學生：思考分析、總結得出：“酶”是活細胞產(chǎn)生的一類生物催化劑，大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)少數(shù)是RNA。

設計意圖：通過自學科學史、繪制科學家觀點的聯(lián)系圖，提高學生自學能力，認識酶的本質(zhì)，在了解科學家的探究歷程后，認同科學家們的質(zhì)疑精神——科學是在爭論中不斷前進，探索發(fā)展的。

4 總結與反思

本文有關“酶的作用和本質(zhì)”的應用設計，創(chuàng)設了豐富的情境使教學更加鮮活。通過觀看加酶洗衣粉與普通洗衣粉洗滌效果的視頻和“催化劑作用原理”視頻、組織學生進行實驗操作，并通過科學史閱讀及分析總結，輔助學生建立有關酶的概念。本文優(yōu)化了教材中關于“比較過氧化氫在不同條件下的分解”的探究性實驗，將其作為演示實驗在課堂中學習酶的作用，效果直觀明顯，巧設問題串牽引學生思考并深入探究。通過對實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的分析，得出“酶”的作用。在情境教學的應用研究中，總結了情境教學在生物學課堂中的作用，提出情境教學用于“酶的作用和本質(zhì)”課堂學習的實施策略并進行教學設計，可為一線教師提供參考。

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