“科學探究”素養(yǎng)導向的高中生物學教學設計

［摘 要］文章以“酶的作用和本質”為例，介紹以“科學探究”素養(yǎng)為導向的高中生物學教學設計，將實驗探究和科學史相結合，讓學生在探究性實驗的設計、實施和數據分析以及科學史實驗的分析中構建生物學概念，從而提升學生的“科學探究”核心素養(yǎng)，促進學生生物學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

［關鍵詞］科學探究；素養(yǎng)導向；高中生物學；教學設計

［中圖分類號］" " G633.91" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）20-0091-03

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，著力培養(yǎng)學生的科學探究和生物學實踐能力[1]。在高中生物學教學過程中，教師要關注學生學習的實踐經歷，強調學生的積極參與，讓學生在科學探究中深化對知識的理解，訓練科學思維，從而發(fā)展核心素養(yǎng)。現以“酶的作用和本質”的教學設計為例，探討新課標理念下培養(yǎng)學生科學探究能力的路徑。

一、教材分析

“酶的作用和本質”是人教版高中生物學必修1第5章第1節(jié)“降低化學反應活化能的酶”的第一課時內容，主要介紹酶在細胞代謝中的作用和酶的本質[2]，幫助學生建構重要概念“細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些反應發(fā)生在細胞的特定區(qū)域”。本節(jié)在學生建構重要概念“物質通過被動運輸、主動運輸等方式進出細胞，以維持細胞的正常代謝活動”之后，安排“比較過氧化氫在不同條件下的分解”探究實踐活動，旨在讓學生學會運用科學方法，理解酶在細胞代謝中的作用，從而發(fā)展科學思維和科學探究核心素養(yǎng)，為后續(xù)建構大概念“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質，并通過分裂實現增殖”打好基礎，具有承上啟下的作用。

二、學情分析

通過初中階段的學習，學生一方面初步具備科學探究能力，且知道無機催化劑能催化化學反應，了解食物消化是酶催化食物分解的化學反應過程，但關于酶的作用和本質缺乏知識的建構；另一方面，具備一定的閱讀分析、歸納總結、類比推理等科學思維能力，能在問題導向下根據科學史實和實驗數據，理解酶的作用和本質，建構活化能等概念，完善知識體系。

三、教學目標

根據新課標的要求，圍繞生物學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，制訂以下教學目標：

（1）設計實施探究實驗“比較過氧化氫在不同條件下的分解”，通過自行設計和思考，提升科學思維能力，學會嚴謹地對待實驗。

（2）分析探究實驗數據結果，認同酶的催化作用，掌握科學探究的一般步驟和原則，提升科學思維和科學探究素養(yǎng)。

（3）通過分析實驗數據和科學資料，思考能量變化的趨勢，理解“活化能”的概念，認同酶的作用原理，總結出酶能降低化學反應活化能。

（4）通過閱讀分析科學史實，與歷史中科學家的觀點相聯系，理解酶的本質，認同科學在質疑和驗證中不斷發(fā)展，體會科學家嚴謹認真、堅持不懈的科學態(tài)度。

四、教學重難點

（1）教學重點：本節(jié)課要指導學生采用控制變量法對酶的作用和本質進行實驗探究，通過分析實驗數據得出酶的作用和本質。因此，用控制變量法探究酶的作用實驗是本節(jié)課的教學重點。

（2）教學難點：由于學生缺乏化學鍵斷裂與形成過程中能量變化的理論基礎，難以理解“活化能”概念。因此，“酶能降低化學反應的活化能”和“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是本節(jié)課的教學難點。

五、教學過程

（一）創(chuàng)設情境，激活思維，引出主題

以斯帕蘭札尼巧妙的實驗作為情境材料，結合當下熱門的事件，通過問題串激活學生思維，引出本節(jié)課的主題——酶的作用和本質。

情境材料1：斯帕蘭札尼將裝有肉塊的小巧的金屬籠讓鷹吞下，研究鷹的消化作用[3]。

情境材料2：“大胃王”暴飲暴食及在暴飲暴食后出現消化不良時口服多酶片。

情境問題：①材料1中的實驗會出現怎樣的現象？②為什么會出現這樣的現象？③多酶片的功能是什么？④多酶片助消化的物質是什么？⑤消化酶是怎樣助消化的？⑥消化酶的作用原理是什么？⑦消化酶的化學本質是什么？

設計意圖：結合科學史，以生活見聞為情境，鼓勵學生思考，培養(yǎng)學生結合生活常識推測問題，激發(fā)學生的學習興趣，激活學生思維，引出主題“酶的作用和本質”，為后續(xù)學習奠定基礎。

（二）科學探究，對照分析，掌握酶的作用

將生物學與化學相結合，以初中化學實驗“氧氣的實驗室制取與性質”為切入點，通過問題探討、實驗探究和科學分析等過程，讓學生掌握“對照分析”方法，明確酶也是催化劑，具有催化作用。

1.問題探討，類比分析，推測酶的作用

以初中化學實驗“氧氣的實驗室制取與性質”（制取裝置如圖1所示）為切入點，讓學生回顧初中化學知識，并輔以問題串“①在氧氣的實驗室制取中，二氧化錳有什么作用？②多酶片能助消化，促進食物分解，能推測出消化酶的作用嗎？”，引導學生探討MnO2與消化酶的聯系，推測酶的作用。

設計意圖：以初中化學知識為切入點，讓學生回顧“氧氣的實驗室制取”過程[4]，其中二氧化錳是無機催化劑，可使過氧化氫分解成水和氧氣，并讓學生將“多酶片促進食物分解”與之作類比，通過“分解”這一共同點類比推理出酶也具有催化作用，為探究酶的作用做鋪墊。同時，讓學生體驗運用跨學科知識解決生物學問題，培養(yǎng)學生的知識遷移能力和科學思維素養(yǎng)。

2.史料學習，掌握事實，確定探究思路

通過科學史“1811年，泰納爾首次發(fā)現過氧化氫酶；1900年，奧斯卡·勒夫發(fā)現過氧化氫酶的主要功能是清除過量的過氧化氫”[5]，讓學生了解一些科學史實，并以此設問“①怎樣實現過氧化氫的清除？②過氧化氫在什么條件下分解？③怎樣證明過氧化氫酶能清除過氧化氫？”，引導學生確定探究酶作用的實驗思路。

設計意圖：通過科學史，讓學生了解生物體內存在有害物質過氧化氫，也存在能夠清除過氧化氫的酶，讓學生明確要探究酶的作用，可從生物組織中提取過氧化氫酶進行實驗，從而初步確定實驗的探究思路：比較過氧化氫在不同條件下的分解速度，確定過氧化氫酶的催化分解作用，從中訓練學生的實驗設計能力，發(fā)展學生的科學探究素養(yǎng)。

3.探究實踐，分析現象，科學歸納結論

根據探究思路，設計“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗方案，確定實驗步驟，開展實驗并記錄實驗結果（如表1），并以問題串“①試管1在本實驗中起著怎樣的作用？是否可以棄用？為什么？②試管1和試管2現象有何不同？說明什么？③試管1和試管3現象有何不同？說明什么？④試管1和試管4現象有何不同？說明什么？⑤試管3和試管4現象有何不同？說明什么？⑥本實驗能得出哪些結論？”引導學生分析實驗現象，得到相應的實驗結論，認同酶具有催化作用。

設計意圖：讓學生在親身探究中分析實驗數據，得出相應的結論：從試管1與試管2的對比中得出提供能量（增加溫度）能提高反應速率；從試管1與試管3的對比中得出二氧化錳具有催化過氧化氫分解的作用；從試管1與試管3、試管4的對比中得出生物組織中存在的過氧化氫酶較之無機催化劑二氧化錳具有更高的催化效率。通過實驗探究，訓練學生的實驗分析能力和科學思維能力，同時引導學生思考為什么會出現這些實驗現象，為探究酶的作用原理埋下伏筆。

4.史料學習，科學分析，認同酶的作用原理

引入科學史“分子轉變?yōu)榛钴S狀態(tài)才能發(fā)生化學反應，1889年瑞典物理化學家阿列紐斯將分子從常態(tài)轉變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應的活躍狀態(tài)所需的能量稱為‘活化能’[6]”，并結合表2的數據分析，設置問題串“①什么樣的分子才能發(fā)生化學反應？②怎樣才能讓分子具備反應條件？③通過表2的數據分析能得出什么結論？④你能推斷出酶的作用原理嗎？”，引導學生知道并理解“活化能”，認同酶的作用原理。

設計意圖：通過科學史讓學生知道并理解“活化能”，結合數據和問題串進行分析，逐步讓學生知道并認同酶的作用原理，培養(yǎng)學生的實驗數據分析能力以及問題探究能力。

（三）史實為證，科學分析，認同酶的本質

以科學史“①1926年，美國科學家薩姆納歷經9年，從刀豆種子提取液中分離并提純了脲酶結晶，且證明脲酶是蛋白質，并提出酶的本質是蛋白質；②20世紀80年代，加拿大分子生物學家奧爾特曼和切赫分別在實驗中發(fā)現核糖核酸具有催化功能”[7]引導學生思考問題：“薩姆納、奧爾特曼和切赫分別證明了什么？你能用自己的話概括出酶的本質嗎？”，進而概括出酶的本質是具有催化作用的有機物[8]。

設計意圖：以科學史為基礎引導學生概括酶的本質，結合前段內容實現從“作用”“作用原理”和“本質”三個維度認識酶，從而建構酶的概念，為建構重要概念“細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些反應發(fā)生在細胞的特定區(qū)域”打好基礎。同時，讓學生在閱讀分析科學史的過程中理解科學在不斷的探索中發(fā)展，體會科學家在科學探索中的堅韌和執(zhí)著。

六、教學反思

高中生物學課程的核心價值是培養(yǎng)學生的生物學學科核心素養(yǎng)，促進學生全面發(fā)展。本節(jié)課結合科學史，將科學探究貫穿教學始終，充分激活學生的思維，提出疑問，讓學生在實驗設計、操作與分析以及史料閱讀分析中，逐步建構生物學概念。本節(jié)課有效地訓練了學生的科學思維能力、科學探究能力和問題解決能力，有效促進了學生生物學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，有助于學生的全面發(fā)展，是可借鑒的教學案例。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書 生物學 必修1" 分子與細胞[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]" 聶曉倩，張鋒.基于科學史的中學生物學元探究教學：以“酶本質的探索”為例[J].中學生物學，2021，37（5）：10-12.

[4]" 畢華林，亓英麗.化學教學設計[M]. 北京：北京師范大學出版社，2012.

[5]" 于德玲，王昌留.過氧化氫酶的研究進展[J].中國組織化學與細胞化學雜志，2016，25（2）：189-194.

[6]" 謝仁榮，申定健，吳志強.高中生物學教學中對酶促反應活化能的理解[J].生物學教學，2022，47（9）：89-91.

[7]" 周美英，朱曉燕.生物學學科核心素養(yǎng)導向下的教學實踐與反思：以“酶的作用與本質”教學為例[J].生物學通報，2019，54（10）：28-30.

[8]" 趙婷婷.“關于酶本質的探索”科學史分析與教學建議[J].生物學教學，2022，47（7）：93-95.

（責任編輯 羅 艷）