基于生物學(xué)科核心素養(yǎng)的實驗教學(xué)探索

禹萍 袁曉娟

文件編號：1003-7586（2020）08-0042-03

“比較過氧化氫（H2O2）在不同條件下分解”是人教版高中生物《必修1·分子與細胞》第五章第一節(jié)的實驗。為了有意識地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、科學(xué)思維能力，形成生命觀念等生物學(xué)科核心素養(yǎng)，筆者在教學(xué)過程中分三個階段進行了探索，即課前教學(xué)準(zhǔn)備階段、課堂探究教學(xué)階段和課后拓展探究階段。

1課前教學(xué)準(zhǔn)備階段

設(shè)計課前教學(xué)準(zhǔn)備流程圖如圖1所示。

生物科技活動小組在按照教材中的實驗步驟進行預(yù)實驗，小組成員們一致認為：通過粗糙地感知氣泡的多少及衛(wèi)生香的燃燒程度可判斷分解速率，有利于快速得出結(jié)論。但是在探究實驗中，新課程倡導(dǎo)教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生通過文字描述、數(shù)字表格、示意圖、曲線圖等方式完成報告，組織交流探究的過程和結(jié)果，并進行適當(dāng)?shù)脑u價。于是，筆者提出問題：能否嘗試改進實驗裝置，通過獲取數(shù)據(jù)定量得出結(jié)論呢？經(jīng)過學(xué)習(xí)與討論，學(xué)生集思廣益，決定借鑒某研究者采用“巧用注射器優(yōu)化比較過氧化氫在不同條件下分解實驗”的做法，嘗試?yán)米⑸淦鞲倪M實驗裝置來解決問題。他們用帶刻度的注射器代替試管進行實驗，獲取單位時間內(nèi)H2O2水解的產(chǎn)物推動活塞移動的數(shù)值，來定量比較H2O2分解速率。裝置由大小不同的注射器和連通器組成（圖2）。

教師培訓(xùn)實驗小組長時，要使他們明確：選取容積大的注射器（30mL或20mL均可）吸入H2O2溶液作為反應(yīng)容器，容積小的注射器（1mL）則分別吸入無機催化劑FeCl3溶液、豬肝研磨液、胡蘿卜汁、蘋果汁、土豆研磨液、熱水、蒸餾水等。連通兩個注射器后小容積注射器內(nèi)溶液注入到大容積注射器內(nèi)，振蕩并記錄刻度值。組長需要反復(fù)操練達到熟練程度，并提前安排小組分工合作事宜，為課堂探究的有序開展做好鋪墊。

2課堂探究教學(xué)階段

課堂探究教學(xué)階段是引領(lǐng)學(xué)生探究，發(fā)展科學(xué)思維能力，形成生命觀念的重要途徑。課堂探究實驗教學(xué)流程圖如圖3所示。

教師引導(dǎo)學(xué)生提出問題：在不處理、熱水浴處理、加入FeCl3溶液、豬肝研磨液等條件下，哪種條件下H2O2分解速率最快？

學(xué)生作出假設(shè)：加入FeCl3溶液的H2O2分解速率最快。各小組討論、設(shè)計實驗，最終確定了4組實驗（表1）。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析與思考：哪組是對照組？哪是實驗組？共幾組對照實驗？單一變量、自變量、因變量以及無關(guān)變量分別是什么？可以直接獲得不同條件下H2O2的分解速率嗎？如果不行，那如何檢測H2O2的分解速率？

各小組討論后，達成共識：不能直接獲得不同條件下H2O2的分解速率，但可以用“相同時間反應(yīng)容器中活塞移動的距離長短”或“活塞到達最大距離時所用的時間”來表示。

教師提出問題：需要及時記錄數(shù)據(jù)，那么該如何處理數(shù)據(jù)呢？

學(xué)生分析歸納、建構(gòu)模型，設(shè)計表格記錄數(shù)據(jù)（表2），以時間為橫坐標(biāo)、反應(yīng)容器上對應(yīng)的刻度值為縱坐標(biāo)繪制曲線。并依據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，定量區(qū)分不同條件下的H2O2分解速率。

學(xué)生分析圖表的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：注入豬肝研磨液的一組反應(yīng)速率最快。

教師引導(dǎo)學(xué)生推理：為何豬肝研磨液的一組H2O2分解速率最快？豬肝細胞內(nèi)是不是含有某種物質(zhì)，是不是這種物質(zhì)起到了比無機催化劑FeCl3溶液的催化效率還高的作用呢？

學(xué)生推測：細胞內(nèi)存在比無機催化劑催化效果更好的物質(zhì)！這樣，學(xué)生構(gòu)建概念“細胞的生存需要物質(zhì)”，體現(xiàn)物質(zhì)觀;同時，體會課程標(biāo)準(zhǔn)要求掌握的重要概念——細胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)。

接著，教師引導(dǎo)回顧經(jīng)典實驗“斯帕蘭札尼研究鷹的消化作用的實驗”，再結(jié)合此探究實驗結(jié)論，可以使學(xué)生明確：細胞內(nèi)存在起催化作用的一些物質(zhì)，現(xiàn)在把它們稱為“酶”，如肝臟研磨液里含有的H2O2酶等，即肝細胞中存在H2O2酶，它與FeCl3一樣起催化作用，只不過H2O2酶的催化效率更高。該教學(xué)過程通過層層設(shè)問，在推理、探究、數(shù)據(jù)和圖表分析中一步步建構(gòu)生命觀念之“物質(zhì)觀”，滲透著生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)理念。

然后，教師結(jié)合實驗二“水浴加熱促使H2O2分解”闡明：因為熱水浴使H2O2分子得到能量，從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀追纸獾幕钴S狀態(tài)。這樣從而引出“活化能”的概念，即分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量。再引導(dǎo)學(xué)生比較、分析、推理實驗三和實驗四，促進學(xué)生歸納得出：同無機催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著，因而催化效率更高。學(xué)生進一步建構(gòu)概念：同無機催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著，因而催化效率更高。這樣，學(xué)生自然而然地形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀點。這是從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的視角，來解釋細胞由多種多樣的分子組成（如含酶分子），這些分子是細胞執(zhí)行各項生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)（生命觀念、科學(xué)思維）。

3課后拓展探究階段

課后創(chuàng)新實驗設(shè)計可以拓展探究內(nèi)容，對建構(gòu)并深化學(xué)生進一步理解“酶”概念、形成生命觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維及科學(xué)探究能力，落實核心素養(yǎng)意義重大。故筆者帶著學(xué)生從以下幾個方面又開展了探究。

（1）增加酶量能增加產(chǎn)物的生成量嗎？

分別推送0.1mL豬肝研磨液和0.5mL豬肝研磨液至1mLH2O2溶液中，觀察反應(yīng)容器活塞位置變動情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，推送0.5mL豬肝研磨液的反應(yīng)強烈，迅速產(chǎn)生大量氣泡，活塞迅速被推開到15mL的位置;推送0.1mL豬肝研磨液則需要時間長但最終也到達15mL的位置。由此可得出“酶只改變化學(xué)反應(yīng)的速率，不增加產(chǎn)物的生成量”的實驗結(jié)論。

（2）酶在反應(yīng)結(jié)束后還能保持催化的化學(xué)性質(zhì)嗎？

待反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)容器內(nèi)剩下的溶液中為反應(yīng)產(chǎn)物和酶。再吸取2mL H2O2溶液到反應(yīng)容器中，觀察反應(yīng)容器內(nèi)是否有氣泡產(chǎn)生或活塞移動情況。結(jié)果可觀察到反應(yīng)容器內(nèi)有氣泡產(chǎn)生，活塞迅速移動，說明酶在反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)并不改變，還依然保持催化能力。

（3）除了豬肝細胞，其他生物的細胞研磨液也含有H2O2酶嗎？

選取胡蘿卜、土豆、蘋果等幾種生活中常見的生物，將它們制成研磨液分別注射到H2O2溶液中，觀察現(xiàn)象與注射豬肝研磨液的實驗比較。通過觀察實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)豬肝的實驗效果最好，但胡蘿卜、土豆、蘋果也能促進H2O2的分解。這說明它們的細胞中也含有H2O2酶，也能催化H2O2溶液，同時讓學(xué)生親身體會到正確選擇實驗材料的重要性。

（4）酶活性受到環(huán)境因素（如pH和溫度等）的影響。

對豬肝研磨液分別用不同pH、溫度處理后，再注入含H2O2的反應(yīng)容器中，將之與實驗四作比較，可發(fā)現(xiàn)酶活性受pH、溫度影響。

從以上四個方面開展拓展探究，除了得出相關(guān)結(jié)論外，學(xué)生還發(fā)現(xiàn)：不同濃度的FeCl3和肝臟研磨液也會影響實驗效果。組織以探究為特點的主動學(xué)習(xí)是落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵！對一個概念的探究學(xué)習(xí)可以結(jié)合課前、課中及課后進行，注意課內(nèi)、外結(jié)合，則更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，進一步提升學(xué)科核心素養(yǎng)。