基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的二次實驗教學(xué)模式
——以“影響酶活性的條件”為例

商 文 薛艷芳

（1.廣州市天河外國語學(xué)校 廣東廣州 510627）

（2.廣州市第二外國語學(xué)校 廣東廣州 510540）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準（2017年版）》提出學(xué)生應(yīng)當(dāng)具備的核心素養(yǎng)之一是“科學(xué)探究能力”?？茖W(xué)探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及對結(jié)果的交流與討論的能力。學(xué)生應(yīng)在探究過程中，逐步增強對自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，提高實踐能力；在探究中，樂于并善于團隊合作，勇于創(chuàng)新。

二次實驗法模式是一種基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，以及探究性教學(xué)模式發(fā)展而來的實驗教學(xué)模式，即針對教材中的一個實驗，進行兩次，給學(xué)生不同的體驗。第一次是傳統(tǒng)性的實驗（可以是驗證性實驗，也可以是定性實驗）；第二次是針對第一次實驗中產(chǎn)生的問題，依據(jù)同樣的原理或同樣的教學(xué)目的從不同角度或同一個角度，對實驗進行重新設(shè)計進行第二次的實驗（可以是探究性實驗，也可以是定量實驗）。它由理論學(xué)習(xí)——初次實驗——二次實驗——實驗評價等階段組成。二次實驗法模式的主要步驟如圖1所示。

圖1 二次實驗法模式主要步驟

1 二次實驗法模式的教學(xué)案例

以人教版生物學(xué)《必修1·分子與細胞》第五章第一節(jié)“酶的特性”相關(guān)的實驗“探究影響酶活性的條件”為例，探討二次實驗法教學(xué)模式在生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

1.1 實驗課題分析

在學(xué)習(xí)該內(nèi)容前，學(xué)生已了解了實驗設(shè)計中各種變量的含義。通過本課題的學(xué)習(xí)，學(xué)生將學(xué)會通過設(shè)定自變量、觀察因變量以及控制無關(guān)變量的變量設(shè)計方法進行科學(xué)實驗設(shè)計，從而加深對有關(guān)實驗原則的理解和對酶本質(zhì)與特性的認識，進一步鞏固和提高提出問題、做出假設(shè)的能力，提高分析問題、解決問題的能力并掌握數(shù)學(xué)建模的方法，為后階段探究實驗的開展奠定基礎(chǔ)。

1.2 實驗過程

1.2.1 情境創(chuàng)設(shè)，任務(wù)驅(qū)動

教師提供資料，并提出問題:荔枝等水果之所以會變褐色，是由于細胞中多酚氧化酶作用下，產(chǎn)生了大量褐色物質(zhì)所致。民間保鮮荔枝常常把荔枝在沸水中浸泡幾秒鐘或把荔枝浸泡檸檬酸2 min，從而可以延長果皮變褐色的時間。由以上資料分析，能提出什么值得探究的問題？pH是否會影響酶活性？

1.2.2 變量討論，確定方案

教師首先復(fù)習(xí)實驗設(shè)計的一般步驟以及實驗變量。然后，將全班分為兩大組，一組用淀粉酶做實驗，另一組用過氧化氫酶做實驗。教師要提醒學(xué)生在設(shè)計實驗時著重討論以下3個問題:

①實驗中自變量與因變量分別是什么？

②如何測定因變量？

③如何控制無關(guān)變量？

在討論階段，教師可重點組織學(xué)生探討:在因變量的測定上，使用淀粉酶做實驗材料的組別究竟是用碘液測定淀粉，還是使用斐林試劑測定還原糖？使用過氧化氫酶做實驗的組別用什么方法對氧氣進行測定？

該環(huán)節(jié)的設(shè)計主要目的是通過對實驗變量的討論，學(xué)生逐步掌握通過變量控制設(shè)計科學(xué)實驗的方法，并針對課本上有關(guān)使用過氧化氫酶探究pH的影響，使用淀粉酶探究溫度的影響的建議進行材料選擇的探究。表1與表2分別是兩個組別經(jīng)過討論后最終確定的實驗方案。

表1 探究pH對淀粉酶活性影響的實驗步驟

表2 探究pH對過氧化氫酶活性影響的實驗步驟

1.2.3 初次實驗，提出問題

學(xué)生依據(jù)制定的方案，按照事先的分工，開展實驗。教師指導(dǎo)實驗，并參與小組討論。實施完第一輪實驗后，小組自我驗證質(zhì)疑，分析實驗結(jié)果是否與假設(shè)相吻合。教師挑選有代表性的小組（淀粉酶組與過氧化氫酶組各派一個代表）到講臺上展示設(shè)計方案與結(jié)果。教師組織全班學(xué)生交流討論，圍繞實驗操作的方法以及實驗中出現(xiàn)的問題，引導(dǎo)其他學(xué)生進行分析評價。

1.2.4 解釋現(xiàn)象，得出結(jié)論

教師展示淀粉酶組用碘液鑒定淀粉時添加氫氧化鈉的試管中不會變藍的實驗現(xiàn)象，并給予學(xué)生發(fā)表各自獨特見解的機會。最后，適時補充碘與氫氧化鈉會發(fā)生反應(yīng)，從而把碘消耗的化學(xué)知識。教師引導(dǎo)學(xué)生思考如何驗證解釋，使學(xué)生最后確定使用過氧化氫酶作為本實驗材料更好，通過排水法收集氣體更能準確反映酶的活性。這樣為下一步尋找最適pH提供實驗依據(jù)，并引導(dǎo)學(xué)生歸納得出實驗結(jié)論。該環(huán)節(jié)中，當(dāng)實驗結(jié)果與預(yù)設(shè)不一致的時候，是最能激發(fā)學(xué)生興趣，積極探究的時刻。教師應(yīng)當(dāng)給予學(xué)生充分發(fā)表自己看法或解釋的機會。無論對錯，只要學(xué)生能發(fā)表自己的看法，教師就要給予積極的評價，從而提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。

1.2.5 提升思維，確定方案

教師引導(dǎo)學(xué)生討論、思考以下問題:

①如何才可以找到酶的最適pH？只取3個pH可以嗎？

②如何準確地測定氣體產(chǎn)生量？

③如何讓數(shù)據(jù)更準確一些？

學(xué)生通過小組討論，最終形成共識，并完成實驗步驟（表3）的設(shè)計:

①通過設(shè)置系列pH梯度來找到酶的最適pH。

②通過使用量筒排水收集氣體的方法，準確地測定氣體產(chǎn)生量。

③通過數(shù)據(jù)取平均值等方法可以讓數(shù)據(jù)更準確一些。

表3 探究過氧化氫酶最適pH的實驗步驟

由于該部分實驗操作較為復(fù)雜，需要教師演示實驗操作過程。該環(huán)節(jié)在完成定性實驗的基礎(chǔ)上，嘗試將實驗繼續(xù)深入到定量實驗，有利于提升學(xué)生思維的深度，同時也為后階段的定量實驗設(shè)計打下基礎(chǔ)。

1.2.6 再次實驗，記錄數(shù)據(jù)

學(xué)生按步驟實施實驗，記錄實驗結(jié)果。小組匯集實驗數(shù)據(jù)，小組派代表將數(shù)據(jù)書寫在黑板表格中。實驗過程中，教師巡視指導(dǎo)實驗。

1.2.7 構(gòu)建模型，深化拓展

小組學(xué)生代表將實驗結(jié)果描繪在以pH為橫坐標(biāo)、酶活性為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系上，并展示在黑板。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果得出最適pH的范圍。教師引導(dǎo)學(xué)生分析:除了pH對酶活性有影響外，還有哪些因素也可以影響酶的活性？并建議學(xué)生利用荔枝為實驗材料，自己設(shè)計實驗繼續(xù)探究溫度對酶活性的影響。

2 思考與啟發(fā)

“探究影響酶活性的條件”這節(jié)實驗課在教材安排中，是學(xué)生接觸到的第一個真正意義上自主開展探究的實驗課。其最主要的教學(xué)目標(biāo)之一就是要讓學(xué)生學(xué)會使用控制變量的方法來設(shè)計科學(xué)實驗。

為了增強學(xué)生實驗設(shè)計的能力，教師采用兩次實驗操作的教學(xué)策略，讓學(xué)生能有機會在第二次實驗設(shè)計中，應(yīng)用第一次實驗設(shè)計的經(jīng)驗與總結(jié)，從而能更好地完善第二次的實驗設(shè)計。由第一次的定性實驗提升到第二次的定量實驗，既充分鍛煉了學(xué)生實驗設(shè)計的能力，也使得學(xué)生的思維得到更進一步的加深。

高中生物教材中有許多實驗都可以嘗試開展二次實驗教學(xué)的模式，除了“探究影響酶活性的條件”外，“探究植物細胞的失水與吸水”“探究提取和分離綠葉中的光合色素”等探究實驗也都適合此種實驗教學(xué)模式。