立足學生認知 提升科學探究能力
——以“降低化學反應活化能的酶”為例

（江蘇省泰州市姜堰區(qū)羅塘高級中學 江蘇泰州 225500）

科學探究作為生物學學科素養(yǎng)內容之一，是體現(xiàn)當代中學生綜合素質的重要指標。生物學是一門基于科學探究能力發(fā)展起來的學科。在生物學教材中，有很多科學發(fā)現(xiàn)都可以作為提升科學探究能力的載體。例如，教材在“降低化學反應活化能的酶”的發(fā)現(xiàn)史中，就列舉了多位科學家通過因果遞進的系列探索揭示酶化學本質的過程，并介紹了如何通過一系列實驗設計來探究酶在細胞代謝中的作用、酶高效性、專一性、需要適宜的溫度和pH。教學要達到學生積極思考、真實探究的境界，教師所設置的問題和教學情境一定要立足于學生的認知順序、認知疑點、認知難點、認知沖突等，方能實現(xiàn)真正的探究性實驗教學。

1 根據(jù)學生的認知順序，調整教材的教學順序

現(xiàn)有的某版本教材設置是從酶的作用和本質入手，通過比較過氧化氫在不同條件下的分解，說明酶的作用機理，然后再通過資料分析，解讀出酶的化學本質。然而，學生通常都是從感性上分析出酶是一種什么樣的物質，才能產(chǎn)生探究其功能的動力。這種順序偏離了學生通常的認知順序：發(fā)現(xiàn)→本質屬性→作用或功能探究→影響因素的分析與實驗驗證。在教學中，教師可調整教材設計的順序，將資料分析中的現(xiàn)象作為探究的情景，設計問題，要求學生思考設計探究實驗的方案。若學生覺得難度較大時，可引導學生閱讀科學家設計的實驗思路，并以此設問其設計的目的及優(yōu)點。具體設計思路見表1。

表1 “酶的發(fā)現(xiàn)歷程”的教學設計思路

在學生分析、討論的基礎，教師引導學生歸納酶的概念：酶是活細胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機物，其中大多數(shù)是蛋白質。為了便于學生更加深入理解酶概念的內涵與外延，教師可設計問題：酶合成的場所在哪？酶的化學本質是什么？其基本單位是什么？如何進行檢測？聯(lián)系生活實際，思考酶離開活細胞能否發(fā)揮催化作用？學生通過對上述問題的求解，可以更加完善酶概念的內涵與外延。

2 順著學生的認知疑點，設計實驗進行探究概念本質和酶的高效性

在獲知酶的概念之后，學生就會產(chǎn)生一系列的認知疑點：怎么驗證酶具有催化作用呢？酶是怎么發(fā)揮催化作用的呢？與無機催化劑相比，酶的催化效果如何呢？教師可以順著這些認知疑點，設計實驗，逐步完善學生的認知。

在過氧化氫在不同條件下分解實驗的教學中，教師可列表設計出四組試管中添加的物質以及處理方式（表2），提出問題，引導學生思考：①對照組是哪一支試管？②試管2、3、4分別與試管1對照，能得出什么結論？③試管3、4加入的均屬于催化劑，與試管2一樣均可促進H2O2溶液的分解，其作用原理與90℃水浴加熱是否相同？

表2 H2O2在不同條件下分解的實驗設計

對于問題③的分析，學生難以理解清楚。這時，教師可借助于活化能的概念，提出問題，促進學生思考：分子要參加反應需要什么條件？達到活化能所需的能量一般來自于什么？活化能的高低與化學反應發(fā)生的難易程度有何關聯(lián)？學生聯(lián)系化學學習中有些化學反應的發(fā)生需要加熱的條件，可判定出：活化能所需的能量一般是吸收周圍環(huán)境的熱量，活化能越高，加熱的溫度越高，反之可在常溫下進行。就此，學生即可領悟出90℃水浴加熱之所以加速H2O2溶液分解的原因：通過加熱，提供能量給H2O2分子，使其達到所需的活化能，從而快速分解。如何引導學生分析試管3、4中H2O2分解加快的原因，是教學的重難點。教師可設計問題：作為催化劑的FeCl3、H2O2酶能否像試管2那樣提供能量，有助于H2O2分子達到活化能呢？學生根據(jù)達到活化能所需能量的來源，很容易得出答案。然后，教師再聯(lián)系活化能的高低與化學反應發(fā)生的容易程度，設計問題：催化劑的作用與活化能的變化有何關聯(lián)？引導學生根據(jù)人教版必修1教材中第80頁圖5-1、5-2展開討論分析，即可得出催化劑作用的機理為通過降低化學反應的活化能，促進化學反應的進行。

為了研究酶催化具有高效性，教師可引導學生分析試管3與4的比較，提出問題：既然作為催化劑的FeCl3溶液和酶，都是通過降低活化能加快化學反應的進行。為何試管4反應速率遠遠高于試管3呢？從而引導學生歸納出酶降低活化能的作用遠高于無機催化劑，說明酶的催化具有高效性。

通過“催化性→活化能→高效性”這些疑點逐個突破的過程，教師還可指導學生掌握實驗設計中變量控制方法以及實驗設計需要遵循的原則，為進一步探究酶的專一性和影響因素打好基礎。

3 緊扣學生的認知難點，設計實驗探究酶的專一性

美國教育家艾里克森說過，如果沒有理解一個概念的難點，概念的學習只能停留在較低的認知水平，學生也就只能對相關的事實進行死記硬背。這就需要教師在課堂教學中緊扣學生在概念認知中的難點，明確探究的方向，精心設置問題情景或材料情境，給與學生充分的選擇空間，在嘗試中選擇實驗方案，利用批判性思維指導學生展開討論，最終引導學生自由成長。

在進行“酶專一性”的教學中，教師首先可引導學生閱讀酶作用專一性的概念：每一種酶只能催化一種或一類化學反應。其中“一對一的關系”是這個概念的認知難點，也是探究的核心問題。為了在教學中引導學生理解該問題的實質，教師可提供淀粉酶、淀粉溶液、蔗糖酶、蔗糖溶液、碘液、斐林試劑等以及其他必需的實驗器材，要求學生設計驗證專一性的實驗。教師要提醒學生特別注意檢測試劑的選擇，并引導學生分析出選擇與否的原因。大多學生很容易設計出同一種酶催化兩種不同的底物，如取兩支試管，依次加入等量的淀粉溶液、蔗糖溶液以及等量淀粉酶或蔗糖酶。對于檢測試劑的使用，一部分學生選用碘液，一部分選用斐林試劑。建構主義學習理論表明，學習應該是認知主體的內部心理過程，學生才是信息加工的主體。因此，對于學生的選擇，教師不要急于給出判斷，而是要求學生說出選用的理由。在批判與修訂中完成結果的分析，在對第一種實驗方案分析之后，教師還可以提出疑問：還有沒有另一種方案呢？經(jīng)過討論之后，學生會提出不同酶催化相同底物：由于存在淀粉和蔗糖這兩種底物，因此，又存在兩種實驗，即底物均為等量的淀粉或蔗糖溶液，兩支試管中依次加入等量的淀粉酶、蔗糖酶。實驗結果的檢測同樣需要學生分析出理由。最后，教師可聯(lián)系蛋白質多樣性的特點以及蛋白酶可催化所有蛋白質水解，從而促進學生理解每一種酶可催化一類化學反應的進行。

4 創(chuàng)設學生的認知沖突，設計實驗探究溫度、pH影響酶的活性

認知沖突是指認知主體已有認知結構與新知識或新情境之間不能包容，或不同認知主體對某一問題存在不同看法的現(xiàn)象。在教學中，教師可引導學生將基于對生物學認識的預期判斷與已有的認知結構或內容進行碰撞，使學生形成認知沖突，再加以點撥，以服務于教學。

影響酶促反應速率的因素除了底物和酶的濃度之外，酶活性的控制同樣重要。因此，教材中設計了溫度、pH影響酶活性的實驗。教師可給肝臟研磨液（含過氧化氫酶）、過氧化氫溶液、淀粉酶、可溶性淀粉溶液等實驗材料，以及碘液、斐林試劑檢測試劑，提出問題：若進行探究溫度影響酶活性實驗中，可選擇哪一組實驗材料，為何不選另一組材料？教師可引導學生回憶酶高效性的探究過程，引導學生捕捉到“過氧化氫在受熱情況下會自動分解”的點，讓他們產(chǎn)生“高溫下的過氧化氫水解是溫度變高，還是酶活性變強的緣故呢？”的認知碰撞。這樣，學生就會在探究溫度影響酶活性實驗中，棄選肝臟研磨液（含過氧化氫酶）與過氧化氫溶液，而選擇淀粉酶。但對于探究pH影響酶活性實驗材料、鑒定試劑的選擇，學生卻無法準確選擇，教師可補充適當?shù)恼J知基礎：淀粉為高分子化合物，一定條件下可以水解，可加入稀硫酸并加熱。在這樣的認知基礎引導下，學生同樣會產(chǎn)生“酸性條件下淀粉的水解是H+的催化，還是淀粉酶的催化呢？”的認知碰撞，從而順理成章地選擇肝臟研磨液（含過氧化氫酶）與過氧化氫溶液作為實驗材料。學生在提供選擇與棄選的理由時，辯證性思維既能得到充分地錘煉，也能更好地理解實驗設計的科學性與嚴謹性，從根本上提高科學探究能力。

學生的認知是再學習的基石，探究能力的培養(yǎng)是提高社會適應能力的保障，教學的最終目標是要通過引導學生對知識的學習，提高其對未知事物的探究、發(fā)現(xiàn)和利用能力。教師在教學中，要立足于學生的認知，根據(jù)認知邏輯，順著認知疑點，緊扣認知難點，創(chuàng)設認知沖突，引導學生分析、探究未知知識，以提高其應用新知識的能力。