基于實(shí)驗(yàn)探究的生物學(xué)概念教學(xué)
——以“酶活性受溫度和pH等環(huán)境因素的影響”為例

楊紅蘭

（杭州師范大學(xué)附屬中學(xué) 浙江杭州 311121）

1 基于實(shí)驗(yàn)探究的生物學(xué)概念教學(xué)的提出

生物學(xué)概念是對(duì)生命現(xiàn)象和生命規(guī)律的一個(gè)概括或者總結(jié)，在高中生物教學(xué)中具有舉足輕重的地位。它是組織生物知識(shí)的基本單位，也是形成和發(fā)展抽象思維的基本單位。在生物知識(shí)體系中，生物學(xué)概念是構(gòu)成生物學(xué)知識(shí)基本單位，是支撐生命觀念形成的基石。生物學(xué)概念教學(xué)的成效會(huì)直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)知程度，影響到學(xué)生整體知識(shí)體系的建構(gòu)，最終影響到生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。高中階段的生物學(xué)概念大多比較抽象，專業(yè)性強(qiáng)。高中生由于認(rèn)知和思維能力的不完善，對(duì)一些抽象的、不常接觸的概念不容易理解。在教學(xué)中，教師需要提供豐富的生物學(xué)事實(shí)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納和整理，主動(dòng)建構(gòu)自己的概念體系，完成從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的轉(zhuǎn)變。

傳統(tǒng)生物概念教學(xué)，教學(xué)的著力點(diǎn)大都放在概念文本的理解上，比較忽視概念的形成過(guò)程。教師一般將概念的定義直接給出，然后從正例、反例、特例不同角度挖掘剖析概念的內(nèi)涵、外延。這種概念教學(xué)的好處是，學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)學(xué)到大量的知識(shí)；弊端是，學(xué)生對(duì)習(xí)得的概念無(wú)法順利遷移，不能靈活運(yùn)用生物學(xué)概念去解釋、解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題。究其原因，學(xué)生沒(méi)有真正參與到概念的形成過(guò)程，只認(rèn)識(shí)了概念的表象，沒(méi)有認(rèn)識(shí)概念的本質(zhì)。學(xué)生要真正理解并掌握概念，就需要自己主動(dòng)探索，建構(gòu)概念體系，控制對(duì)概念的本質(zhì)?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）明確提出了“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”的基本理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)是主動(dòng)參與的過(guò)程，倡導(dǎo)通過(guò)探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

生物學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，生物學(xué)概念大都建立在觀察與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)課程的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般都是先介紹概念再進(jìn)行驗(yàn)證，缺乏探究性，且缺少真實(shí)情境，無(wú)法真正激發(fā)學(xué)生自主探究的興趣?；趯?shí)驗(yàn)探究的概念教學(xué)，是指將概念教學(xué)與現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題有機(jī)結(jié)合，通過(guò)創(chuàng)設(shè)特定的問(wèn)題情境，讓學(xué)生在實(shí)際問(wèn)題情景中展開(kāi)實(shí)驗(yàn)探究，并在問(wèn)題解決中完成概念的建構(gòu)。在該教學(xué)模式中，概念、問(wèn)題、探究、實(shí)驗(yàn)四個(gè)部分緊密相聯(lián)，問(wèn)題中蘊(yùn)含著概念，概念支撐著問(wèn)題的解決、探究的開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)是探究的載體，探究是實(shí)驗(yàn)的核心。

2 基于實(shí)驗(yàn)探究的生物學(xué)概念教學(xué)的基本流程

2.1 課前準(zhǔn)備

教師根據(jù)教學(xué)任務(wù)的需要，從教材、生產(chǎn)、生活中挖掘?qū)W生感興趣的、蘊(yùn)含著特定概念的探究?jī)?nèi)容，設(shè)計(jì)出研究性課題，發(fā)放給學(xué)生，并在課前匯總學(xué)生探究的結(jié)果。教師要循序漸進(jìn)地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前、課中探究。

學(xué)生自主選擇課題，以小組為單位，完成包括資料查閱、社會(huì)調(diào)查、課前實(shí)驗(yàn)等科學(xué)探究任務(wù)。

2.2 課上探究

這是概念建構(gòu)的核心環(huán)節(jié)。教師以科學(xué)探究為主線，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)為載體，科學(xué)思維為中心，幫助學(xué)生經(jīng)歷“問(wèn)題—猜測(cè)—探究—理解—應(yīng)用”的實(shí)踐過(guò)程，通過(guò)層層遞進(jìn)的問(wèn)題和活動(dòng)，不斷加深對(duì)概念本質(zhì)的理解。具體過(guò)程如下。

2.2.1 問(wèn)題情境，引出概念

教師結(jié)合學(xué)生課前探究的結(jié)果，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，引出新課的概念。學(xué)生針對(duì)情境中的問(wèn)題，根據(jù)已有的概念或經(jīng)驗(yàn)提出自己的推測(cè)和猜想。

2.2.2 探索研究，形成概念

各小組自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并利用教師提供的實(shí)驗(yàn)藥品與器材，求證自己小組的推測(cè)與猜想。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，各小組如實(shí)客觀地呈現(xiàn)與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象，得出探究的結(jié)論，構(gòu)建新課的概念。在這個(gè)過(guò)程中，教師不參與指導(dǎo)，只是提供充足的材料，留出充裕的時(shí)間，放手讓學(xué)生探究，必要時(shí)可以適當(dāng)引導(dǎo)與幫助。

2.2.3 理解體會(huì)，抽象概念

教師根據(jù)概念建構(gòu)的需要，精心設(shè)計(jì)引導(dǎo)性的問(wèn)題，讓學(xué)生交流討論，這是學(xué)生思維碰撞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。交流內(nèi)容既可以圍繞實(shí)驗(yàn)結(jié)果（找共性結(jié)果、分析異?，F(xiàn)象等），也可以分享本次探究過(guò)程中的收獲，甚至可以組間點(diǎn)評(píng)。在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過(guò)傾聽(tīng)、質(zhì)疑、綜合意見(jiàn)，逐步加深對(duì)概念本質(zhì)的理解，最后，通過(guò)小結(jié)，自然而然地歸納出本節(jié)課的概念。

2.2.4 應(yīng)用拓展，深化概念

對(duì)概念的掌握并不是以能描述為最終目的，教師需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)出基于生產(chǎn)生活的實(shí)踐案例，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用新建構(gòu)的概念嘗試進(jìn)行解決，通過(guò)學(xué)以致用，深化概念。下面以“酶活性受到溫度和pH等環(huán)境因素的影響”這一概念的建構(gòu)為例，談?wù)劵趯?shí)驗(yàn)探究的生物概念教學(xué)的教學(xué)實(shí)踐。

3 基于實(shí)驗(yàn)的探究式生物概念教學(xué)的實(shí)踐

3.1 教學(xué)目標(biāo)

“酶活性受溫度和pH等環(huán)境因素的影響”這一概念從屬于新課標(biāo)概念2下面的一個(gè)次位概念，教學(xué)提示建議開(kāi)展“探究影響酶活性的因素”的探究性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)，制定本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

（1）能夠建構(gòu)起“酶的作用條件比較溫和”這一概念，并能運(yùn)用這一概念到實(shí)際生活中，通過(guò)調(diào)控酶活性的影響因素來(lái)解決生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問(wèn)題。

（2）能夠習(xí)得概念建構(gòu)的科學(xué)方法，發(fā)展科學(xué)探究的能力，提升科學(xué)思維的品質(zhì)。

3.2 教學(xué)過(guò)程

3.2.1 課前準(zhǔn)備

在上課前，筆者要求學(xué)生從身邊尋找跟酶有關(guān)的生物學(xué)現(xiàn)象或事件，并以小組為單位聯(lián)系生活或生產(chǎn)實(shí)踐，提出一個(gè)跟酶有關(guān)的探究性課題。如，其中有個(gè)小組提出：“蘋(píng)果削皮或榨汁后為什么會(huì)迅速變色，如何讓榨出的蘋(píng)果汁不變色？”學(xué)生探究欲望很強(qiáng)，查閱資料發(fā)現(xiàn)，這是生活中非常普遍的一種酶促褐變現(xiàn)象，主要是跟細(xì)胞中的多酚氧化酶的活性密切相關(guān)。除了蘋(píng)果，很多果蔬也存在褐變現(xiàn)象，如土豆、茄子、蓮藕等。因此，“降低果蔬褐變的發(fā)生率”這一課題對(duì)現(xiàn)在的凈菜加工行業(yè)有指導(dǎo)意義?；谝陨舷敕ǎ處煕Q定以“探究蘋(píng)果褐變的原因及降低褐變發(fā)生率作為課堂主線”，幫助學(xué)生建構(gòu)“酶活性受溫度和pH等環(huán)境因素的影響”這一重要概念。

學(xué)生以小組為單位，查閱并探究蘋(píng)果變色的原理，從生物學(xué)角度出發(fā)，提出延緩蘋(píng)果變色的措施。學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證（特別交代無(wú)關(guān)變量的等量控制），將將實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果拍照或錄視頻上交。

3.2.2 課堂教學(xué)的基本過(guò)程

3.2.2.1 問(wèn)題情境，引出概念

教師播放學(xué)生課前錄制的實(shí)驗(yàn)視頻1：把一個(gè)蘋(píng)果削皮后均勻切成4塊，一塊放在白紙上，其余三塊分別浸泡在等量的檸檬水、清水和沸水中；分別觀察并記錄4塊果肉顏色的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：放在白紙上果肉一會(huì)兒就開(kāi)始發(fā)黃變褐，而浸泡在清水、檸檬水和沸水中的果肉幾乎沒(méi)有顏色變化。

教師提出問(wèn)題：

①為什么蘋(píng)果果肉會(huì)變色？究竟是什么導(dǎo)致蘋(píng)果果肉變色呢？

②浸泡在清水、檸檬水和沸水中的蘋(píng)果塊均不變色，基于這一現(xiàn)象你如何解釋？

通過(guò)褐變?cè)虻慕榻B，教師順利引出導(dǎo)致蘋(píng)果果肉變色的幕后主使——酶（多酚氧化酶）。

教師繼續(xù)播放視頻1：將清水、檸檬水和沸水中的蘋(píng)果塊取出分別放在白紙上，10 min后，來(lái)自清水的蘋(píng)果塊褐變比較明顯，而來(lái)自檸檬水和沸水蘋(píng)果塊果肉顏色變化不明顯。教師提出問(wèn)題：為什么浸泡過(guò)檸檬水和沸水的蘋(píng)果塊，暴露在空氣中也不變色了？學(xué)生根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，提出“高溫和酸性環(huán)境可能使多酚氧化酶失活”的猜測(cè)。

教師告訴學(xué)生：理科觀點(diǎn)的提出一般需要實(shí)證的支持。剛才的猜測(cè)是“溫度和酸堿度會(huì)影響多酚氧化酶的活性”。為了驗(yàn)證猜想否正確，可以通過(guò)科學(xué)地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

3.2.2.2 探索研究，形成概念

學(xué)生以小組為單位，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，然后利用以下實(shí)驗(yàn)器材，自行進(jìn)行探究：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的兒茶酚溶液、不同pH的緩沖液、蒸餾水、恒溫水浴鍋、冰塊、紗布、試管、榨汁機(jī)、量筒、燒杯、滴管、移液器等。

教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行變量分析，完成表1；然后，指導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)步驟，完成表2。

表1 變量分析表

表2 實(shí)驗(yàn)記錄表

為方便比較不同組別兒茶酚溶液褐變的程度，按照表3設(shè)定褐變的4個(gè)等級(jí)（“+”的多少表示褐變等級(jí)的大小）。

表3 兒茶酚溶液褐變的程度

學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室儀器和材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。教師指導(dǎo)學(xué)生處理并分析數(shù)據(jù)，并按照?qǐng)D1，以溫度或pH為橫坐標(biāo)，褐變等級(jí)為縱坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

3.2.2.3 體會(huì)理解，抽象概念

教師提出系列問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生思考：

（1）結(jié)合圖1中曲線，概述溫度和pH跟酶活性的關(guān)系。

（2）請(qǐng)結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)際，舉出溫度和pH對(duì)酶活性產(chǎn)生影響的實(shí)例。

（3）多酚氧化酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，根據(jù)蛋白質(zhì)的特性，高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿以及低溫條件下，酶活性下降的可能原因是什么？

（4）課前探究中，部分組發(fā)現(xiàn)用白醋或檸檬酸與蘋(píng)果一起榨汁的實(shí)驗(yàn)中，蘋(píng)果汁顏色還是在緩慢加深，這該如何解釋？

（5）課前探究中，有些組合嘗試用鹽水浸泡削皮的蘋(píng)果，發(fā)現(xiàn)防止褐變的效果也很好。對(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，怎么解釋？

（6）通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，你對(duì)酶的作用條件形成了哪些認(rèn)識(shí)？

（7）結(jié)合酶的特性，請(qǐng)從生物學(xué)角度，提出防止蘋(píng)果褐變的措施。

3.2.2.4 應(yīng)用拓展，深化概念（運(yùn)用概念解決實(shí)際問(wèn)題）

教師要求學(xué)生利用本堂課建構(gòu)的概念，周末回家鮮榨蘋(píng)果汁，要求請(qǐng)拍照上傳，附上榨汁的材料、處理的方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明。

教師提出問(wèn)題，要求學(xué)生出謀劃策：為防止褐變，有些凈菜加工基地超標(biāo)準(zhǔn)添加亞硫酸鈉等含硫食品添加劑，導(dǎo)致蔬菜制品中的二氧化硫超標(biāo)，引發(fā)食品安全問(wèn)題。他們迫切希望尋求到安全有效的護(hù)色保鮮方法。請(qǐng)利用本堂課建構(gòu)的概念積極獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

在可能的情況下，學(xué)生走訪中國(guó)茶葉博物館，了解綠茶、紅茶等的加工工藝；走訪匯源果汁等果蔬加工基地，了解實(shí)際生產(chǎn)中的護(hù)色保鮮流程

4 教學(xué)反思

本節(jié)課是基于新課標(biāo)“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”“通過(guò)探究加深對(duì)生物學(xué)概念的理解”理念指導(dǎo)下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行概念教學(xué)的嘗試課。整個(gè)概念形成經(jīng)歷3個(gè)環(huán)節(jié)：課前，學(xué)生在生活原型中感知概念；課中，學(xué)生在探索交流中建構(gòu)概念；課后，學(xué)生在應(yīng)用拓展中深化概念。由于實(shí)驗(yàn)探究的問(wèn)題是來(lái)自學(xué)生生活中的真實(shí)問(wèn)題，學(xué)生探究熱情很高。通過(guò)真實(shí)問(wèn)題的探究，學(xué)生不僅對(duì)概念本質(zhì)有了深刻地理解，更關(guān)鍵的是習(xí)得了概念建構(gòu)的科學(xué)方法，發(fā)展了科學(xué)探究的能力，提升了科學(xué)思維的品質(zhì)，強(qiáng)化了社會(huì)責(zé)任意識(shí)。當(dāng)然，這種教學(xué)模式對(duì)教師也提出了更高的要求，無(wú)論是問(wèn)題的收集還是探究活動(dòng)的組織，都需要精心篩選和設(shè)計(jì)。