項(xiàng)目導(dǎo)學(xué)在“酶本質(zhì)的探索”科學(xué)史中的教學(xué)實(shí)踐

石進(jìn)德

(福建省廈門市集美區(qū)灌口中學(xué) 廈門 361023)

項(xiàng)目導(dǎo)學(xué)是指圍繞某個(gè)生物學(xué)大概念或核心概念，在實(shí)驗(yàn)過程或教學(xué)環(huán)節(jié)中，以新情境下的項(xiàng)目活動(dòng)為引導(dǎo)，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的實(shí)踐過程中，綜合運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)，理解生命現(xiàn)象和規(guī)律，由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的一種教學(xué)方式。高中生物科學(xué)史有助于學(xué)生深入理解科學(xué)的本質(zhì)，體驗(yàn)科學(xué)研究的方法，感悟科學(xué)探究的精神[1]。以項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式開展生物科學(xué)史教學(xué)，能更好地學(xué)習(xí)生物科學(xué)理論，掌握生物科學(xué)技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)性和工程化的高中生物學(xué)知識(shí)框架和高中生物學(xué)模型體系。

1 分析交流科學(xué)史，初識(shí)科學(xué)本質(zhì)

教材中科學(xué)史內(nèi)容都是以資料的形式呈現(xiàn)，通過分析可讓學(xué)生了解生物科學(xué)史事實(shí)和知識(shí)形成過程，提煉科學(xué)家的研究方法，在科學(xué)事實(shí)中挖掘科學(xué)思想、學(xué)會(huì)分析和認(rèn)識(shí)科學(xué)。

本環(huán)節(jié)采用內(nèi)容分析法，圍繞項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生帶著原有知識(shí)和生活背景，系統(tǒng)、客觀地指出信息(生物科學(xué)史內(nèi)容)的主要特征，形成科學(xué)史發(fā)展過程概念圖。根據(jù)教材和教師提供的科學(xué)史資料，圍繞目標(biāo)的確定→維度的設(shè)計(jì)→材料的抽取→材料的處理→概念的構(gòu)建→知識(shí)的形成等幾個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)“酶的本質(zhì)探索”過程科學(xué)史進(jìn)行分析，最終形成對(duì)酶的本質(zhì)認(rèn)知。1.1 確定研究目標(biāo) 酶的本質(zhì)探索源由→酶的本質(zhì)探索歷程→酶的本質(zhì)→酶的概念。

1.2 設(shè)計(jì)分析維度 科學(xué)家的邏輯思想、不同觀點(diǎn)、觀點(diǎn)的積極性與局限性、酶的概念認(rèn)知和酶的本質(zhì)。

1.3 抽取分析材料 巴斯德、李比希和畢希納三人的研究結(jié)果→薩姆納等人的研究結(jié)果→切赫和奧特曼的研究發(fā)現(xiàn)。

1.4 處理分析材料 通過互相質(zhì)疑、辯論形式，分析巴斯德與李比希的爭(zhēng)論焦點(diǎn)→歸納畢希納研究結(jié)果的認(rèn)知，得到主張： 發(fā)酵是由酵母活細(xì)胞產(chǎn)生的某種物質(zhì)引起→引出薩姆納主張： 脲酶是蛋白質(zhì)→延伸切赫和奧特曼的補(bǔ)充： RNA具有酶的特性。

1.5 構(gòu)建材料框架 形成概念模型圖解： 絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下分析生物科學(xué)史。學(xué)生基于原有的認(rèn)知科學(xué)地分析資料，結(jié)合科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展、運(yùn)用推理相互質(zhì)疑，提出主張。

2 模擬科學(xué)史實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)科學(xué)本質(zhì)

高中生物科學(xué)史展示了許多的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作的范式。同時(shí)，也體現(xiàn)了科學(xué)家的邏輯思維，并且都伴隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷地提升實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。而科學(xué)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性是科學(xué)本質(zhì)的重要內(nèi)涵之一，在高中生物科學(xué)史的分析、理解基礎(chǔ)上，利用簡(jiǎn)易或可替代的實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)類似實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，模擬科學(xué)史實(shí)驗(yàn)，嘗試讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單模仿、體驗(yàn)，重溫科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)研究過程。

2.1 項(xiàng)目1： 模擬斯帕蘭扎尼“鷹吞金屬籠、消化籠中肉塊”實(shí)驗(yàn) 引導(dǎo)學(xué)生嘗試用家養(yǎng)的鴿子替代鷹，發(fā)揮奇思妙想，設(shè)計(jì)不同的材料替代金屬籠吞食。學(xué)生排除物理性消化而提出化學(xué)性消化，通過實(shí)驗(yàn)直觀又形象地理解化學(xué)性消化的本質(zhì)，順利進(jìn)入酶的學(xué)習(xí)。

2.2 項(xiàng)目2： 模擬巴斯德、李比希、畢希納實(shí)驗(yàn) 在“酶的本質(zhì)探索”一節(jié)的科學(xué)史中，巴斯德提出發(fā)酵需要活酵母細(xì)胞參與，李比希認(rèn)為發(fā)酵是酵母細(xì)胞死亡后釋放的某些物質(zhì)引起。引導(dǎo)學(xué)生思考畢希納如何通過實(shí)驗(yàn)來結(jié)束這一爭(zhēng)論。在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)學(xué)生分別用不同的酵母細(xì)胞進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)科學(xué)家爭(zhēng)論的本質(zhì)問題。學(xué)生經(jīng)過親身體驗(yàn)、解決了問題(表1)。

表1 巴斯德、李比希和畢希納實(shí)驗(yàn)比較

2.3 項(xiàng)目3： 模擬薩姆納實(shí)驗(yàn) 人教版教材中對(duì)薩姆納提取脲酶科學(xué)史的介紹，只是簡(jiǎn)單敘述了其歷經(jīng)9年、嘗試各種方法，最終利用丙酮提取到刀豆中的脲酶，脲酶能催化尿素分解成氨和CO2，但并未介紹其具體的實(shí)驗(yàn)過程和操作。那如何利用科學(xué)史的學(xué)習(xí)，更好地理解科學(xué)思維在科學(xué)探究中的作用，掌握正確的科學(xué)方法，體驗(yàn)科技進(jìn)步對(duì)科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用呢？通過引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料，了解和初步學(xué)習(xí)刀豆脲酶提取工藝。利用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行脲酶提取的實(shí)驗(yàn)嘗試，學(xué)生經(jīng)歷了刀豆的粉碎、過篩、乙醇提取、沉淀、離心、過濾和純化等實(shí)驗(yàn)過程。在實(shí)施過程中及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，根據(jù)丙酮微毒性特性、改用乙醇替代丙酮提取液。充分地認(rèn)識(shí)到薩姆納實(shí)驗(yàn)成功的原因，是選用合適的實(shí)驗(yàn)材料和正確的科學(xué)方法，進(jìn)一步理解和領(lǐng)會(huì)脲酶(有機(jī)物)可通過有機(jī)溶劑來提取這一科學(xué)本質(zhì)。

從薩姆納采用多種方法證明脲酶是蛋白質(zhì)，到引導(dǎo)學(xué)生回顧蛋白質(zhì)鑒定實(shí)驗(yàn)中用雙縮脲反應(yīng)來測(cè)定，再到測(cè)紫外吸光值及電泳后染色等現(xiàn)代技術(shù)手段來檢測(cè)脲酶，幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)與技術(shù)的整合，體驗(yàn)科學(xué)的本質(zhì)。

2.4 項(xiàng)目4： 模擬切赫和奧特曼實(shí)驗(yàn) 教材中切赫和奧特曼的實(shí)驗(yàn)，只概述了“發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化功能”。經(jīng)引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，了解到兩位科學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)： 四膜蟲rRNA前體在沒有蛋白質(zhì)存在的情況下能完成自我剪接，證明RNA具有生物催化功能。RNA酶種類較少、催化效率較低，中學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件有限，難以模擬切赫和奧特曼的實(shí)驗(yàn)研究，可采用啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)化的探究實(shí)驗(yàn)，來探究酶的化學(xué)本質(zhì)，證明RNA也可作為酶，具有生物催化作用(表2)。

表2 模擬切赫和奧特曼實(shí)驗(yàn)(探究酶本質(zhì)的實(shí)驗(yàn))

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)兩種不同酶溶液的檢測(cè)，驗(yàn)證具有生物催化作用的酶的化學(xué)本質(zhì)除蛋白質(zhì)外還有RNA，幫助學(xué)生更好地理解酶的概念。模擬和體驗(yàn)科學(xué)史的探究實(shí)驗(yàn)有助于拓展科學(xué)概念的內(nèi)含和外延，促進(jìn)科學(xué)概念的發(fā)展。

3 創(chuàng)新科學(xué)史實(shí)驗(yàn)，提升科學(xué)素養(yǎng)

科學(xué)史教學(xué)既基于事實(shí)又不局限于事實(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、呈現(xiàn)科學(xué)觀念、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和總結(jié)評(píng)價(jià)等探究過程。學(xué)生根據(jù)自己提出的問題，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)拓展。從簡(jiǎn)單模仿到自主探究，進(jìn)行智慧性地創(chuàng)新。通過創(chuàng)造式的學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程中的發(fā)現(xiàn)探索，提高批判性思維，提升科學(xué)素養(yǎng)。

3.1 創(chuàng)新項(xiàng)目1： 如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證巴斯德、李比希爭(zhēng)論的觀點(diǎn)對(duì)與錯(cuò) 科學(xué)研究總是不斷地在爭(zhēng)論中產(chǎn)生共鳴，進(jìn)而構(gòu)建形成共識(shí)的科學(xué)認(rèn)知。

例如，如何應(yīng)用生物科學(xué)史中的爭(zhēng)論，啟發(fā)學(xué)生：“根據(jù)巴斯德、李比希兩位科學(xué)家的觀點(diǎn)，你會(huì)設(shè)計(jì)什么實(shí)驗(yàn)來論證？”圍繞爭(zhēng)論焦點(diǎn)“酒精發(fā)酵的本質(zhì)是生理過程還是化學(xué)反應(yīng)”，讓學(xué)生寫出設(shè)計(jì)思路，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論，并開展探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，能得出酒精發(fā)酵的本質(zhì)是酶催化的生物化學(xué)反應(yīng)。

通過實(shí)驗(yàn)理解巴斯德、李比希爭(zhēng)論的觀點(diǎn)是基于各自的研究背景，是特定的科學(xué)與技術(shù)發(fā)展為前提的，科學(xué)認(rèn)知需要思維在不斷沖突和碰撞中得到升華。

3.2 創(chuàng)新項(xiàng)目2： 探究刀豆中脲酶的真面目 學(xué)習(xí)是為了獲取知識(shí)，提升認(rèn)知。

例如，通過“酶本質(zhì)的探索”一節(jié)科學(xué)史的分析和模擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生能理解酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。但是，關(guān)于脲酶在刀豆中的作用，對(duì)刀豆種子富含脲酶的原因等表現(xiàn)出了極大興趣。教師再啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考：“植物并不合成尿素，那么刀豆中的脲酶除了催化分解尿素外還有什么作用？刀豆種子富含脲酶，是用于分解刀豆種子代謝中產(chǎn)生的尿素，還是分泌到土壤中分解尿素便于刀豆吸收和利用？”

將這些問題轉(zhuǎn)化為探究性課題研究，通過課題拓展，讓學(xué)生從課內(nèi)走向課外，從科學(xué)史學(xué)習(xí)走向未知的科學(xué)探索，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新意識(shí)和科技創(chuàng)新精神。

3.3 創(chuàng)新項(xiàng)目3： 刀豆、大豆和綠豆中脲酶的比較 科學(xué)史學(xué)習(xí)說明薩姆納是利用刀豆提取脲酶，由此啟發(fā)學(xué)生圍繞酶的提取、酶的特性等延伸探究，在認(rèn)知酶的本質(zhì)基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)和理解酶的特性。

例如，探究不同豆類脲酶的含量；探究不同豆類中脲酶活性影響因素(表3)；根據(jù)酶的特性，如何能提高土壤尿素的利用率，探究降低脲酶的活性、減緩尿素的分解應(yīng)采取的措施。

表3 刀豆、大豆和綠豆中脲酶活性影響因素的比較

通過設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)過程中掌握科學(xué)研究方法，提高科學(xué)思維能力，創(chuàng)新性地解決問題，更好地理解酶的本質(zhì)與特性。

3.4 創(chuàng)新項(xiàng)目4： 家釀紅酒如何不易變酸？如何保存？如何與酶相關(guān)？ 科學(xué)的傳播和學(xué)習(xí)是為了學(xué)生聯(lián)系現(xiàn)實(shí)的生活體驗(yàn)、理解和感悟，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性與積極性[2]。讓學(xué)生從科學(xué)史中走出來，融入自然和社會(huì)，學(xué)會(huì)探究。

例如，結(jié)合學(xué)生生活實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生思考酒變酸原因，是由于空氣中存在醋酸桿菌等微生物?？諝庵械奈⑸锎姿釛U菌會(huì)進(jìn)入酒中經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)生醋酸，而使酒變酸。再思考讓紅酒如何不易變酸，如何保存，如何與酶相關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(擬定自變量與因變量、單一變量、對(duì)照實(shí)驗(yàn))、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果和得出結(jié)論。