基于概念構建的實驗教學設計

摘 要：教學過程重實踐是《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》的基本理念之一，倡導學生通過探究性學習活動，加深對生物學概念的理解。本文以“酶的作用和本質”一節實驗的教學設計為例，淺談如何引導學生參與探究性實驗活動，并自主構建酶的相關概念。

關鍵詞：實驗探究；概念構建；酶

文章編號：1003-7586（2024）10-0009-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

在生物科學史中，某一科學概念的構建，往往需要通過一系列的實驗和觀察逐漸完善。有關酶的研究從19世紀開始，經歷了100多年間多位科學家堅持不懈的實驗研究、歸納和總結、辯論和修正，才有了教材中短短的一句話“酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物，其中絕大多數酶是蛋白質”。實驗與觀察在概念構建的過程中具有重要作用。學生在學習概念時，往往重視記憶背誦教材內容而忽略實驗與觀察，造成實驗可有可無的教學現狀。以記憶取代實驗的體驗過程，以固定套路代替科學思維與科學探究的內涵，以機械重復背誦代替學生自主構建概念的情況，不僅沒有體現概念構建的一般過程，更與學科課程標準提倡的“組織以探究為特點的主動學習”的理念相悖。本文以“酶的作用和本質”一節實驗的教學設計為例，淺談如何將實驗教學與理論教學相融合，將實驗探究活動與學生自主構建概念的過程結合，通過實驗引導學生自主構建酶的相關概念。

1 實驗探究酶的作用

學生通過對初中生物學知識的學習了解到，口腔中的唾液淀粉酶使沒有甜味的淀粉消化成具有甜味的麥芽糖。胃中存在消化蛋白質的胃蛋白酶，能夠幫助消化蛋白質。小腸中還有淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶幫助消化食物。教師通過問題“酶是一種怎樣的物質”導入“酶的作用和本質”一節內容的學習。

1.1 細胞代謝的概念

教師指出細胞代謝的場所是在細胞內，實質則是細胞內發生的化學反應。而細胞代謝可能產生過氧化氫等有害物質，這些物質在細胞中積累后需要及時分解，避免對細胞造成毒害。

設計意圖：教師創設情境“細胞如何快速分解代謝產生的有害物質過氧化氫”，激發學生的學習興趣。

1.2 實驗探究酶的作用

1.2.1 加熱促進過氧化氫分解實驗

教師給出實驗材料和實驗方案，學生通過比較90 ℃與常溫條件下的過氧化氫分解速率，驗證高溫能夠促進過氧化氫的分解。實驗方案如表1所示。

學生觀察到90 ℃水浴加熱的試管有少量氣泡，而不進行加熱處理的試管中無明顯氣泡，說明高溫可以促進過氧化氫的分解。教師根據實驗設計表格講解實驗中自變量、因變量、無關變量等重要概念，并講解實驗設計中如何控制變量和設計對照實驗。

設計意圖：教師通過實驗培養學生的實驗操作技能，引導其學習控制變量法和設計對照實驗。學生分析總結設計對照實驗的原則：除自變量不同外，無關變量要保持相同且適宜。控制變量和設計對照實驗是貫穿高中生物學實驗的重要科學方法，其在多數實驗設計中被應用，而本實驗正是學習該科學方法的良好素材。

1.2.2 加過氧化氫酶促進過氧化氫分解實驗

教師提出問題：細胞能否用加熱的方法分解過氧化氫？學生指出過高溫度會損傷細胞。教師指出細胞分解過氧化氫主要依靠過氧化氫酶，并組織實驗探究過氧化氫酶對過氧化氫分解的催化作用。^［1］學生根據給出材料，展開討論并確定實驗方案。實驗方案如表2所示。

教師指出，肝臟研磨液中除了有肝臟組織液外還有溶劑水，因此不能確定少量的水是否會對實驗結果產生影響，所以應該在對照組中加入等量的溶劑，并提出如果實驗組的溶劑是生理鹽水或緩沖溶液，加入對照組的也應是等量的生理鹽水或緩沖溶液。

確定實驗方案后，教師詢問學生實驗開始后要觀察的指標是什么？學生回答應該觀察氣泡產生量。教師組織學生討論實驗可能得到的結果與結論，猜測可能的結果有：①加酶組產生氣泡更多，說明過氧化氫酶能促進過氧化氫的分解；②兩組氣泡量相當，說明過氧化氫酶不能促進過氧化氫的分解；③加酶后氣泡產生量更少，說明過氧化氫酶抑制過氧化氫的分解。

學生帶著問題開展分組實驗，學生觀察到實驗組的過氧化氫溶液產生大量氣泡，對照組的過氧化氫無明顯氣泡，學生根據前面的猜測快速得出結論：過氧化氫酶能促進過氧化氫的分解，酶具有催化作用。

設計意圖：教師基于控制變量和對照實驗的原則設計實驗，讓學生在設計實驗的過程中體驗到科學研究的嚴謹。教師組織學生預測實驗結果與結論，培養學生的科學思維和科學探究的能力。通過這一實驗，學生能夠初步建立酶的概念，得出酶具有催化作用的結論。

1.2.3 實驗探究過氧化氫酶的催化效率

教師創設過氧化氫消毒液在運輸時不能和三氯化鐵、二氧化錳共同儲存的真實情境，進而引出問題：酶與無機催化劑的催化效率相比哪個更高？教師指出可以通過對照實驗進行比較，學生據此設計實驗方案，方案如表3所示。

學生帶著疑問開展實驗，發現肝臟研磨液組產生的氣泡多于三氯化鐵溶液組，由此得出結論：過氧化氫酶的催化效率高于三氯化鐵。教師進一步從兩種催化劑溶液中分子的濃度進行比較：3.5%的三氯化鐵溶液和20%的肝臟研磨液相比，鐵離子的濃度是酶分子濃度的25萬倍，進一步說明酶的催化效率極高。細胞代謝產生的過氧化氫，正是在過氧化氫酶的作用下被快速分解，從而避免細胞受損。教師指出細胞中有各種各樣的酶，由于這些酶的作用，細胞代謝可以在常溫下快速有序地進行。

設計意圖：通過實驗，學生對酶概念的認知更進一步，深刻認識到酶不但具有催化作用，且催化效率高，過氧化氫酶能夠保證細胞代謝產生的過氧化氫被快速分解。學生實驗設計能力、實驗操作的能力、科學思維和科學探究的核心素養都得到了進一步的培養。

2 實驗探究酶的來源

2.1 酶本質的探索歷程中不同觀點的爭論

酶的本質是隨著對釀酒過程的深入研究而明確的。很多科學家都相信釀酒過程中糖類變成酒精和二氧化碳是一個純化學過程，與生命活動無關。但是法國生物學家巴斯德（L. Pasteur）用顯微鏡在發酵的葡萄酒中觀察到了酵母菌，并發現酵母菌的數量越多，酒精濃度越高，猜想釀酒過程中的發酵是由酵母菌細胞導致。但德國化學家李比希（J. Liebig）依然堅持認為發酵現象是溶解在酵母菌溶液里的酶引起的，并在細胞裂解后才可以發揮作用，兩種觀點爭論不休。教師引導學生分析兩種觀點爭論的關鍵點，學生指出爭論的關鍵點是細胞是否存活并完整存在。

2.2 模擬畢希納無細胞發酵實驗

教師提出問題：能否設計實驗解決巴斯德與李比希的爭端？學生通過討論得出實驗方案：取酵母菌活細胞并裂解，加入糖液中，觀察糖液能否發生酒精發酵。學生共同設計出實驗方案，如表4所示。

學生通過實驗發現，加入酵母菌活菌的1號發酵管和加入酵母菌研磨過濾液的2號發酵管中，溶液都產生了氣泡，液面下降，而未加酵母菌的3號發酵管內無氣泡產生。學生分析實驗結果，總結出酒精發酵需要酵母菌中的某種物質，且該物質在細胞破裂后依然可以發揮作用，教師說明這種物質就是酶。

設計意圖：學生通過該實驗，進一步認識到酶來自活細胞，離開活細胞依然可以發揮作用。在實驗的設計和操作過程中，學生的科學思維和科學探究能力得到了進一步的提升。由于酒精發酵需要的時間較長，無法在課堂中快速完成，因此在教學設計中，教師主要組織學生討論實驗思路，設計實驗方案，發酵實驗的操作可以組織興趣小組在課外時間完成，在課堂中進行結果展示。

3 實驗探究酶的化學本質

資料一：1926年薩姆納（J. B. Sumner）從刀豆中提取了脲酶并獲得結晶，證明了脲酶具有蛋白質性質。

資料二：1930—1936年，諾斯羅普（J. H. Northrop）和庫尼茨（M. Kunitz）提取了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶結晶，并證實這些酶是蛋白質。

師生總結以上資料，認識大多數酶的化學本質是蛋白質。教師提出問題：請設計實驗檢測淀粉酶是否為蛋白質。學生提出使用雙縮脲試劑進行鑒定。教師提供實驗材料：淀粉酶、0.1 g/mL氫氧化鈉溶液、0.01g/mL硫酸銅溶液。學生通過實驗觀察到淀粉酶溶液遇雙縮脲試劑產生紫色反應，說明淀粉酶是蛋白質。

資料三：20世紀80年代，美國科學家切赫（T. R. Cech）和奧爾特曼（S. Altman）發現少數RNA也具有生物催化功能。

設計意圖：三組資料說明了提純并鑒定過的酶大多數是蛋白質，少數是RNA，而這兩種物質都是有機物，由此說明酶的化學本質是有機物。

4 課堂小結

在本節課中，教師組織學生開展了三組實驗，探究酶的作用和來源，鑒定酶的化學本質。基于以上實驗，學生自主構建并說出酶的定義：酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物，大多數酶是蛋白質。

5 教學反思

本節課讓學生在實驗課堂中，通過實際操作、觀察和實驗設計等方式，積極參與到知識的構建過程中。課堂教學則提供了知識的框架和指導，幫助學生將實驗結果與理論知識結合起來，深化其對生物學概念的理解。

探究酶的作用實驗分為三組，第一組驗證加熱促進過氧化氫的分解，目的是通過給出的實驗方案幫助學生進行控制變量和設計對照實驗的學習，并通過觀察直觀地認識到常溫下過氧化氫的分解是緩慢的，在細胞中不能自然快速分解，加熱可以加快過氧化氫的分解速率。第二組實驗探究酶是否能促進過氧化氫的分解，要求學生運用剛才學習的科學方法設計對照實驗，培養學生的實驗設計能力，同時學生可以通過觀察直觀地認識到過氧化氫酶可以促進過氧化氫的分解，理解酶具有催化作用，從而初步構建酶的概念。第三組實驗比較過氧化氫酶與無機催化劑的催化效率，在實驗設計中，學生已基本掌握了設計對照實驗的方法，可以快速設計出實驗方案，在觀察中直觀地認識到酶的高效率催化。教師再通過比較催化劑分子數量的數據進一步說明酶的高效性，進一步完善酶的概念。

實驗教學為學生自主構建概念提供了良好的平臺。通過實踐操作和實驗觀察，學生能夠深入理解酶的作用和本質，并將其應用于實際生活中。此外，實驗教學還能夠培養學生的合作精神和團隊意識，促進其與他人的交流和合作能力。

參考文獻

［1］王永麗.通過探究實驗發展學生學科核心素養——以“過氧化氫在不同條件下的分解”為例［J］.生物學教學，2023，48（1）：51-53．