PBL模式下的高中生物學(xué)科學(xué)史教學(xué)

杜金燁 張鋒

摘 要 以“關(guān)于酶本質(zhì)的探索”一節(jié)為例，基于PBL教學(xué)法開(kāi)展高中生物科學(xué)史教學(xué)，巧設(shè)問(wèn)題情境啟發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作探究，通過(guò)問(wèn)題的逐級(jí)遞進(jìn)，在分析和解決問(wèn)題中促進(jìn)學(xué)生深度思考。

關(guān)鍵詞 PBL教學(xué)法 生物學(xué)科學(xué)史 酶的本質(zhì) 生物學(xué)教學(xué)

PBL教學(xué)法（Problem based leaming）是以問(wèn)題為導(dǎo)向的啟發(fā)式教學(xué)法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、探尋問(wèn)題解決的策略，教師由知識(shí)的傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)建構(gòu)的協(xié)助者，凸顯學(xué)生主體地位。高中生物學(xué)科學(xué)史的教學(xué)不應(yīng)局限于呈現(xiàn)靜態(tài)發(fā)展過(guò)程，更應(yīng)注重動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，即不局限于傳授知識(shí)本身，而是揭示科學(xué)思維與方法，挖掘蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)。基于PBL教學(xué)法的高中科學(xué)史教學(xué)，學(xué)生通過(guò)自主構(gòu)建知識(shí)，小組合作探究，促進(jìn)對(duì)生物學(xué)概念的深刻理解，進(jìn)一步達(dá)到深度學(xué)習(xí)。

1 前端分析，教材和學(xué)情分析

I.I 教材分析

“關(guān)于酶本質(zhì)的探索”是人教版《必修1.分子與細(xì)胞》第五章第一節(jié)的內(nèi)容，本章節(jié)是在了解細(xì)胞功能中細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡明細(xì)胞如何從外界獲取能量并利用能量維持生命活動(dòng)。作為本章節(jié)第一節(jié)，介紹了酶在細(xì)胞代謝中的作用、酶的本質(zhì)和酶的3個(gè)特性，為后續(xù)具體生命活動(dòng)的展開(kāi)鋪墊。其中，關(guān)于酶的本質(zhì)的相關(guān)內(nèi)容的強(qiáng)調(diào)重走科學(xué)之路，發(fā)展學(xué)生思維能力，使其形成科學(xué)思想和科學(xué)方法。

1.2 學(xué)情分析

在生物學(xué)科學(xué)史的教學(xué)過(guò)程中，教師除了要考慮知識(shí)的深度和內(nèi)在邏輯，還應(yīng)把握學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。學(xué)生在初中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了消化酶的相關(guān)知識(shí)，但對(duì)于酶的本質(zhì)是什么以及酶的探索歷程仍感到陌生。部分學(xué)生在學(xué)習(xí)前存在錯(cuò)誤的前科學(xué)概念，認(rèn)為酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。教師應(yīng)聚焦前科學(xué)概念，給予學(xué)生自主學(xué)習(xí)空間，引導(dǎo)學(xué)生基于感性知識(shí)建構(gòu)理性知識(shí)。

1.3 教學(xué)目標(biāo)

（l）通過(guò)舉例說(shuō)明酶的本質(zhì)，理解酶的概念。

（2）通過(guò)自主收集資料和小組協(xié)作，提高解決實(shí)際問(wèn)題，交流與表達(dá)的能力。

（3）通過(guò)分析和討論科學(xué)史實(shí)，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法。

（4）通過(guò)酶本質(zhì)探索歷程的學(xué)習(xí)，認(rèn)同科學(xué)需要質(zhì)疑、創(chuàng)新和勇于實(shí)踐的科學(xué)精神和態(tài)度。

2 課堂授課

2.1 巧設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生興趣，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。問(wèn)題是學(xué)習(xí)的觸發(fā)器，學(xué)生只有置身于真實(shí)問(wèn)題情境中，才會(huì)產(chǎn)生最根本的學(xué)習(xí)動(dòng)力。課堂開(kāi)始之前，教師播放釀酒過(guò)程的短視頻，并提出問(wèn)題：現(xiàn)今釀酒業(yè)發(fā)達(dá)，釀的酒醇香而易于保存，但在19世紀(jì)的歐洲經(jīng)常會(huì)遇到酒變酸的情況，為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？教師基于學(xué)生的各方面能力分配好互補(bǔ)型學(xué)習(xí)小組，每組6-8人，給予一周的時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，以組內(nèi)自學(xué)為主和組間溝通為輔。

2.2 自主學(xué)習(xí)，產(chǎn)生知識(shí)遷移

學(xué)生以問(wèn)題情境為導(dǎo)向，以資料分析為基礎(chǔ)，有目的地通過(guò)圖書(shū)館等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)查閱相關(guān)資料，用已有知識(shí)整合新知識(shí)，構(gòu)建新的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系。學(xué)生基于生活經(jīng)驗(yàn)，知道釀酒需要酵母的參與，開(kāi)始查閱相關(guān)的科學(xué)史。從巴斯德和李比希的爭(zhēng)論、畢希納釀酶的發(fā)現(xiàn)、到薩姆納脲酶的提取及核酶的發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)所查閱到的科學(xué)史資料并不能全盤(pán)吸收。此時(shí)，學(xué)生以小組協(xié)作形式進(jìn)行交流討論和分享，產(chǎn)生知識(shí)之間的碰撞與聯(lián)結(jié)，得到問(wèn)題解決的新思路。

2.3 課堂互動(dòng)，進(jìn)行思維觸碰

學(xué)生是課堂的主體，教師起搭建腳手架的作用，使學(xué)生零散的知識(shí)系統(tǒng)化。課堂的展開(kāi)以問(wèn)題情境為導(dǎo)向和主線(xiàn)，在該過(guò)程中將總問(wèn)題進(jìn)行細(xì)化，以“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題一解決問(wèn)題一出現(xiàn)新問(wèn)題一解決新問(wèn)題”的方式進(jìn)行，形成PBL教學(xué)模式的良性循環(huán)。

問(wèn)題一：酒為什么變酸？

課堂上，教師引導(dǎo)學(xué)生以酒為何變酸展開(kāi)討論：巴斯德認(rèn)為酒精發(fā)酵是純化學(xué)反應(yīng)還是生命活動(dòng)過(guò)程？如何證明其觀(guān)點(diǎn)？酒精發(fā)酵需要什么物質(zhì)的參與？教師將問(wèn)題細(xì)化和拆分，激發(fā)學(xué)生對(duì)信息的提取和組織?；诓殚喌降馁Y料，學(xué)生明白酒變酸是醋酸菌所起的作用。教師引導(dǎo)學(xué)生回顧巴斯德作為微生物學(xué)家，把目光聚焦在微生物領(lǐng)域，使學(xué)生發(fā)酵與微生物生命活動(dòng)有關(guān)，并舉曲頸瓶肉湯實(shí)驗(yàn)為例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。

教師追問(wèn)：李比希作為化學(xué)家，他的觀(guān)點(diǎn)是什么？他傾向于從什么角度思考問(wèn)題？有什么支撐他的觀(guān)點(diǎn)？學(xué)生通過(guò)對(duì)收集資料的分析，以表格的形式總結(jié)和比較巴斯德和李比希的觀(guān)點(diǎn)（表1），闡述兩者之間的利弊，并認(rèn)同正是由于巴斯德和李比希的爭(zhēng)論才推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展。

問(wèn)題二：發(fā)酵是生命作用還是物質(zhì)作用所引起？

德國(guó)化學(xué)家畢希納平息了兩位偉人的爭(zhēng)論。學(xué)生分析得出：他并不是專(zhuān)門(mén)研究酒精發(fā)酵，而是研究酵母汁的藥用價(jià)值。教師追問(wèn)：為了研究酵母汁的藥用價(jià)值首先應(yīng)該做什么？畢希納是如何發(fā)現(xiàn)酵母汁可以催化蔗糖發(fā)酵？他是如何巧妙地處理實(shí)驗(yàn)材料？巴斯德做了相同的實(shí)驗(yàn)，為何兩者的結(jié)果卻大相徑庭？學(xué)生發(fā)散思維，小組代表回答，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的描述，教師可對(duì)每一個(gè)步驟適當(dāng)?shù)奶釂?wèn)，以此深化學(xué)生的理解。例如，為什么要加石英砂研磨？為什么要加壓過(guò)濾？

學(xué)生對(duì)巴斯德和畢希納實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)差異產(chǎn)生疑惑，教師及時(shí)起到腳手架的作用，闡明：巴斯德所用的巴黎酵母是蔗糖酶缺陷型，而畢希納的慕尼黑酵母則保持蔗糖酶的活力，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)材料的正確選擇是成功的一半。畢希納進(jìn)一步將引起糖類(lèi)發(fā)酵的物質(zhì)稱(chēng)為釀酶。

問(wèn)題三：酶的本質(zhì)是什么？

基于當(dāng)時(shí)的科技水平，科學(xué)家仍然無(wú)法提取純酶，對(duì)于薩姆納將要提純酶更覺(jué)得是無(wú)稽之談。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，歷經(jīng)9年，薩姆納終獲成功。資料中對(duì)薩姆納的實(shí)驗(yàn)過(guò)程并未展開(kāi)描述，教師借此引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)過(guò)程：薩姆納選擇的實(shí)驗(yàn)材料是什么？實(shí)驗(yàn)方法和原理是什么？如何證明提取到的物質(zhì)是脲酶？如何鑒定脲酶是蛋白質(zhì)？每個(gè)小組展示實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)方案對(duì)比過(guò)程中完善實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生對(duì)于理解實(shí)驗(yàn)原理及如何驗(yàn)證產(chǎn)生了脲酶較困難，教師及時(shí)對(duì)知識(shí)進(jìn)行深化和拓展。基于薩姆納利用化學(xué)的相似相容原理在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用丙酮做溶劑中出現(xiàn)了脲酶結(jié)晶，啟發(fā)學(xué)生學(xué)科之間的相互滲透：根據(jù)脲酶能夠使得尿素分解成二氧化碳和氨的特性來(lái)鑒定提取到的結(jié)晶是否是脲酶。

教師提出問(wèn)題：為什么當(dāng)時(shí)科學(xué)家認(rèn)為酶的本質(zhì)都是蛋白質(zhì)？引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生利用歸納的方法，從個(gè)別到一般進(jìn)行總結(jié)：前提：胃蛋白酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì);胰蛋白酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì);胰凝乳蛋白酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)……（在當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的酶中不存在例外）胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等都是酶。結(jié)論：酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。

問(wèn)題四：酶的本質(zhì)都是蛋白質(zhì)嗎？

該部分的內(nèi)容在教材中未呈現(xiàn)出具體的科學(xué)史，教師基于學(xué)生的認(rèn)知能力，自行呈現(xiàn)相關(guān)資料。學(xué)生知道切赫和奧特曼分別利用四膜蟲(chóng)和大腸桿菌作為實(shí)驗(yàn)材料并且獲得了成功，但對(duì)于具體是如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的，仍存在疑惑。教師以圖解的方式呈現(xiàn)（圖1），即不增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)，又可使科學(xué)史的歷程保持完整性。

教師提出問(wèn)題：由于當(dāng)時(shí)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)的觀(guān)點(diǎn)的權(quán)威性，切赫懷疑蛋白質(zhì)沒(méi)有去除干凈。于是，切赫重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在保證蛋白質(zhì)完全去除的情況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然相同，這說(shuō)明了什么？啟發(fā)學(xué)生發(fā)散性思考，得出：rRNA可以自我催化降解，因此RNA也是一種酶。

教師追問(wèn)：奧特曼從事大腸桿菌提取tRNA合成研究，此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了生物合成tRNA的中間產(chǎn)物，這說(shuō)明了什么？

學(xué)生：存在一種中間產(chǎn)物，則意味著存在一種酶將其催化分解成該中間產(chǎn)物，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)該酶為RNA酶。

教師：兩位科學(xué)家利用不同的實(shí)驗(yàn)材料，但均證明RNA分子也具有生物催化功能，他們也因此獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。從中你可以得到什么啟發(fā)？

學(xué)生：科學(xué)的發(fā)展是永無(wú)止境的，要勇于向權(quán)威挑戰(zhàn)。

2.4 總結(jié)與歸納

教師引導(dǎo)學(xué)生利用概念圖的形式歸納酶本質(zhì)探索的科學(xué)史，以科學(xué)史為據(jù)協(xié)作討論給酶下一個(gè)正確的定義。學(xué)生基于科學(xué)史，下的定義并不完善大致包括：①酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)和RNA。②大部分酶是蛋白質(zhì)少部分是RNA。③酶是具有催化作用的蛋白質(zhì)和RNA。教師不能否定學(xué)生的定義，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生溫故吐新，從酶的來(lái)源、作用和本質(zhì)三方面相結(jié)合給酶下一個(gè)完整的定義。

參考文獻(xiàn)：

[l]郭曉強(qiáng)，馮志霞.無(wú)細(xì)胞酵解的發(fā)現(xiàn)及意義[J].醫(yī)學(xué)與哲學(xué)（人文社會(huì)醫(yī)學(xué)版），2008（3）：69-70.

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