核心素養(yǎng)視域下高中生物科學(xué)探究能力的提升
——以“酶的特性”為例

福建省三明第一中學(xué) 黃曉明

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》的設(shè)計(jì)宗旨和實(shí)施的基本要求是要著眼于學(xué)生適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展和個(gè)人生活的需要，從生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等方面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)?！翱茖W(xué)探究”作為核心素養(yǎng)的重要組成內(nèi)容，是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問(wèn)題，針對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果交流與討論的能力。探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施作為高階的科學(xué)探究在高考中占比較大，教師對(duì)學(xué)生的科學(xué)探究能力進(jìn)行提升培養(yǎng)，有利于提高學(xué)生的解題能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。下面以“酶的特性”為例，介紹在日常教學(xué)中對(duì)學(xué)生生物學(xué)科學(xué)探究能力進(jìn)行提升培養(yǎng)的策略。

一、分析教材和學(xué)情，制定教學(xué)策略

對(duì)教材和學(xué)情進(jìn)行分析，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的具體學(xué)習(xí)特點(diǎn)制定教學(xué)策略，可起到事半功倍、有效提升科學(xué)探究能力的效果?！懊傅奶匦浴笔侨私贪娓咧猩锉匦?“分子與細(xì)胞”第5 章第1 節(jié)“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”第2 課的內(nèi)容。細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化離不開(kāi)酶的作用，理解酶的特性，能為后續(xù)章節(jié)ATP、細(xì)胞呼吸、光合作用等一系列酶促反應(yīng)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。酶的特性表現(xiàn)在高效性、專一性、作用條件較溫和三個(gè)方面。其中酶具有高效性在前一節(jié)“酶的作用和本質(zhì)”中已由學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究獲得，對(duì)于酶具有專一性可通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生改變底物或酶的類型輕松突破，因此酶的作用條件較溫和是本節(jié)內(nèi)容的探究重心。通過(guò)上一節(jié)內(nèi)容“酶的作用和本質(zhì)”的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)酶有了初步的認(rèn)識(shí)，并掌握了一定的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及進(jìn)行科學(xué)探究的一般方法，但較高水平的可行性實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施對(duì)學(xué)生能力要求較高，“影響酶活性的條件”的實(shí)驗(yàn)就是屬于高階水平的探究，因此引導(dǎo)學(xué)生完成該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施是本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)難點(diǎn)。

二、設(shè)置問(wèn)題串，提升科學(xué)探究能力

組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)是落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的關(guān)鍵。學(xué)生在現(xiàn)有知識(shí)的基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師通過(guò)問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生一步步完善實(shí)驗(yàn)方案，拓展學(xué)生科學(xué)探究學(xué)習(xí)的深度和廣度，通過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)反復(fù)的操練，有利于提升學(xué)生生物學(xué)科學(xué)探究的能力。

（一）選擇材料器具和初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

教師引導(dǎo)學(xué)生在課前查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上對(duì)材料器具進(jìn)行選擇，為設(shè)計(jì)合理的方案做準(zhǔn)備。探究“影響酶活性的條件”，教師可通過(guò)設(shè)置問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：（1）“探究溫度對(duì)酶活性的影響”原理是什么？應(yīng)選擇什么酶？為什么？（2）選擇了酶之后要選哪些對(duì)應(yīng)的試劑和器具？（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則有哪些？（4）實(shí)驗(yàn)實(shí)施中如何遵循這些基本原則？（5）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有什么需要注意的事項(xiàng)？學(xué)生一般會(huì)想到科學(xué)性原則、對(duì)照性原則、單一變量原則、等量原則等，并根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)原則設(shè)計(jì)出初稿。在教學(xué)實(shí)際中，學(xué)生會(huì)提出不同的實(shí)驗(yàn)材料選擇，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的選擇大膽設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)，允許學(xué)生試錯(cuò)，才能讓學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)原理和生物課程知識(shí)，達(dá)到意想不到的教學(xué)效果。

（二）完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

高中生物科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中自變量和因變量的確定是最根本的，學(xué)生會(huì)把較多的思考放在如何設(shè)置自變量的問(wèn)題上，而無(wú)關(guān)變量容易被學(xué)生忽視。無(wú)關(guān)變量是指實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響的一些其他可變因素。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮無(wú)關(guān)變量，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗。很多考試中對(duì)無(wú)關(guān)變量的考查，體現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)性、細(xì)致性的要求，對(duì)學(xué)生的思維能力和問(wèn)題分析能力都有了更高層次的要求。因此，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生對(duì)無(wú)關(guān)變量進(jìn)行控制，是提升科學(xué)探究能力的一個(gè)途徑，也更符合教學(xué)大綱的要求。

教師通過(guò)問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟初稿進(jìn)行完善，每個(gè)問(wèn)題盡量讓學(xué)生多思考為什么、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理、涉及的實(shí)驗(yàn)原理、需要考慮的無(wú)關(guān)變量等。以“探究溫度對(duì)酶活性的影響”（見(jiàn)下表）為例，教師通過(guò)問(wèn)題串不斷引導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)步驟，形成定稿。

“探究溫度對(duì)酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)操作流程

學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)“探究溫度對(duì)酶活性的影響”后，再舉一反三設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“探究pH 對(duì)酶活性的影響”就容易多了。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案并不是唯一的，不同的小組設(shè)計(jì)出來(lái)的方案差別較大，教師要盡可能地幫助學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)指出他們?nèi)菀缀雎缘年P(guān)鍵問(wèn)題，在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和修改中，提升學(xué)生生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。

三、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步提升科學(xué)探究能力

通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)“影響酶活性的條件”，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力得到了提升。在“探究溫度對(duì)酶活性的影響”時(shí)，教師可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)置一系列溫度梯度或以反應(yīng)時(shí)間為自變量，以淀粉和碘液反應(yīng)的藍(lán)色深淺為觀測(cè)指標(biāo)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成坐標(biāo)曲線圖，從而構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。如酶促反應(yīng)需要一定的時(shí)間，時(shí)間不同淀粉水解程度也不同。酶促時(shí)間太短就滴加碘液，三支試管有可能都出現(xiàn)藍(lán)色，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)淀粉可能徹底水解，根據(jù)這個(gè)可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“時(shí)間對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響”。每隔1 分鐘分別從試管中取5 滴溶液與1 滴碘液滴在點(diǎn)滴板上鑒定，觀察顏色的變化并記錄。

“探究pH 對(duì)酶活性的影響”也可以設(shè)置一系列pH 梯度，以產(chǎn)生氣泡的多少（氧氣釋放量）作為觀測(cè)指標(biāo)繪制曲線圖。為了使測(cè)定更精確，學(xué)生可使用電子pH 計(jì)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用氧氣傳感器進(jìn)行檢測(cè)，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。學(xué)生把實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果構(gòu)建成數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析，把復(fù)雜的研究對(duì)象轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)問(wèn)題，用數(shù)學(xué)關(guān)系式呈現(xiàn)研究對(duì)象的關(guān)系，從理論到實(shí)踐再到理論，進(jìn)一步提升科學(xué)探究能力，加深對(duì)“酶的特性”的直觀理解，體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程。這種構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的思維結(jié)合生物學(xué)規(guī)律和原理，設(shè)計(jì)并實(shí)施可行的實(shí)驗(yàn)方案，已經(jīng)達(dá)到了科學(xué)探究培養(yǎng)的高階水平（水平三、水平四）。

四、課后反思與延伸探究

學(xué)習(xí)是師生互動(dòng)的過(guò)程，教師反思可總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、改進(jìn)教學(xué)，彌補(bǔ)教學(xué)過(guò)程中的不足，指導(dǎo)今后的教學(xué)，提高課堂教學(xué)的有效性。但光有教師的反思是不夠的，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生主動(dòng)反思具有更大的能動(dòng)性，能充分挖掘其思維潛能和探究潛能。一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)束并不意味著停止，不論實(shí)驗(yàn)成功與否，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行分析、反思，促使學(xué)生養(yǎng)成反思習(xí)慣，總結(jié)利弊，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，都能提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。提升科學(xué)探究素養(yǎng)，不只是積累知識(shí)，更是授之以漁，是為了學(xué)生在日后生活和學(xué)習(xí)中能掌握發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。教師可適當(dāng)留一些待探究的問(wèn)題，讓學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和生活中時(shí)時(shí)處處進(jìn)行科學(xué)探究。

“影響酶活性的條件”這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)受限于教學(xué)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不能在課堂上深度展開(kāi)，而學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)激發(fā)更多的奇思妙想，如有的學(xué)生會(huì)提出“用過(guò)氧化氫酶來(lái)探究溫度對(duì)酶活性的影響是否可行、唾液淀粉酶和工業(yè)淀粉酶做實(shí)驗(yàn)有什么區(qū)別、實(shí)驗(yàn)中用斐林試劑來(lái)鑒定實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可行、可否用淀粉酶來(lái)探究pH 對(duì)酶活性的影響”，還有的學(xué)生提出“用底物濃度或者酶量等作為自變量來(lái)探究影響酶活性的條件”……教師鼓勵(lì)學(xué)生將這些問(wèn)題作為研究性學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行延伸探究，利用課余時(shí)間經(jīng)過(guò)小組充分討論實(shí)驗(yàn)的可行性，大膽設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成圖就得到了唾液淀粉酶與工業(yè)淀粉酶的最適溫度不同的結(jié)論，以及酶促反應(yīng)速率與底物濃度的曲線圖、酶促反應(yīng)速率與酶量的曲線圖等。教師引導(dǎo)學(xué)生將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)論、曲線圖與相應(yīng)的試題相結(jié)合，對(duì)可能的結(jié)果做出預(yù)測(cè)和解釋，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式和解題能力。這些課后反思與延伸探究引發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步探究的欲望，教師通過(guò)引導(dǎo)和保護(hù)學(xué)生的探究欲，提供適當(dāng)?shù)奶骄織l件，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，有助于提升學(xué)生的生物學(xué)科學(xué)探究核心素養(yǎng)。

教師不囿于教材或文獻(xiàn)提供的材料和實(shí)驗(yàn)方案，給予學(xué)生自由發(fā)揮的空間，有利于學(xué)生在充分討論和查閱資料中獲得知識(shí)的升華和能力的提升。核心素養(yǎng)視域下的高中生物科學(xué)探究以理論為指導(dǎo)，以科學(xué)實(shí)踐為途徑，緊扣生物學(xué)科核心素養(yǎng)，有利于培養(yǎng)和提升學(xué)生的科學(xué)探究水平，將培養(yǎng)目標(biāo)落實(shí)到日常課堂教學(xué)中去。