基于5E教學(xué)模式提升核心素養(yǎng)的“探究酶催化的高效性”實(shí)驗(yàn)

汪祝兵

摘 要：本文運(yùn)用5E教學(xué)模式，通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)、教材實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生積極動(dòng)手動(dòng)腦，歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)中各種變量的概念和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，最后加以運(yùn)用，全面提升了核心素養(yǎng)特別是科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：5E教學(xué)模式;核心素養(yǎng);酶;高效性

一、5E教學(xué)模式簡(jiǎn)介

美國(guó)教育家Bybee首先提出了5E教學(xué)模式，其初衷是幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念，其組成內(nèi)涵如下：

（一）引入：教師根據(jù)學(xué)生已有概念，創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)學(xué)生已有知識(shí)和情境之間產(chǎn)生認(rèn)知沖突，是實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變的重要策略，能激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

（二）探究：教師不直接給出答案，而是提供給學(xué)生探究的機(jī)會(huì)，通過(guò)動(dòng)手操作和動(dòng)腦思考，建立聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變。

（三）解釋：學(xué)生根據(jù)引入和探究的活動(dòng)結(jié)果，概括說(shuō)明自己對(duì)于概念的理解，教師對(duì)概念的內(nèi)涵給予進(jìn)一步的補(bǔ)充，進(jìn)而有助于學(xué)生深入理解概念。

（四）精致：教師提供新的情境，學(xué)生應(yīng)用概念，在解決新的問(wèn)題中獲得更深刻的理解，達(dá)成對(duì)概念的拓展和建構(gòu)。

（五）評(píng)價(jià)：教師評(píng)估每一位學(xué)生的理解水平，可以通過(guò)提問(wèn)、紙筆測(cè)試和小組討論等方式進(jìn)行。教師更需要考查學(xué)生對(duì)于新概念的應(yīng)用，例如：提出一些開(kāi)放性問(wèn)題來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的理解和應(yīng)用。

劉恩山教授課題組研究提出5E教學(xué)模式對(duì)我國(guó)學(xué)生提升核心素養(yǎng)也有重要作用，特別是其將探究作為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求學(xué)生學(xué)會(huì)觀察、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施方案、交流討論，這些活動(dòng)有利于提升核心素養(yǎng)。

二、5E教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)

（一）實(shí)驗(yàn)引入

教學(xué)過(guò)程：教師進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)，三支試管分別加入5mL淀粉，5mL淀粉加上2滴稀硫酸，5mL淀粉加上2滴淀粉酶，放置在37℃恒溫水浴鍋中幾小時(shí)后，但忘記標(biāo)記試管，請(qǐng)大家確認(rèn)對(duì)應(yīng)關(guān)系？能夠得出酶具有高效性的結(jié)論嗎？經(jīng)過(guò)大家的討論分析，由于淀粉能夠被催化劑分解，最渾濁的是淀粉溶液，最清澈的應(yīng)該是淀粉加上淀粉酶。對(duì)于酶的高效性有人認(rèn)為可以證明，也有同學(xué)認(rèn)為不能證明。

教學(xué)目的：教材先用淀粉酶和淀粉完成酶的專一性實(shí)驗(yàn)，本人考慮到“探究酶的高效性”實(shí)驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理和原則有很好的教育作用，因此調(diào)換了教材的教學(xué)順序。為什么不用淀粉和淀粉酶探究酶的高效性呢？引發(fā)學(xué)生的思維沖突，且有利于后續(xù)探究實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展和實(shí)驗(yàn)的理性分析，便于學(xué)生理解不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的材料。直接利用過(guò)氧化氫酶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法理解選材的重要性。

（二）自主探究

教學(xué)過(guò)程：教師展示問(wèn)題，淀粉酶和硫酸都可以催化淀粉分解，哪個(gè)的效率更高一些？有人說(shuō)試管澄清度高就可以說(shuō)明，但是大部分人覺(jué)得現(xiàn)象不夠明顯。引導(dǎo)提出關(guān)鍵問(wèn)題：要證明酶的效率高，需要確定淀粉被分解得多。如何證明淀粉是否完全水解？如何證明催化劑反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)不變？同學(xué)們積極思考討論，教師適當(dāng)引導(dǎo)，關(guān)鍵是確認(rèn)3支試管是否有催化劑、淀粉和淀粉水解物，例如：要確定僅2號(hào)試管有酸性物質(zhì)，1號(hào)和3號(hào)中性;淀粉、淀粉酶、淀粉水解產(chǎn)物可以分別用碘液、雙縮脲試劑和本尼迪特試劑檢測(cè)。經(jīng)過(guò)引導(dǎo)和同學(xué)們激烈爭(zhēng)論后，達(dá)成共識(shí)：先用玻璃棒分別蘸取3支試管中的一滴液體，利用pH試紙檢測(cè)酸堿性。然后將試管液體平均分成3份，編號(hào)為1A、1B、1C、2A、2B、2C……分別加入碘液、雙縮脲試劑和本尼迪特試劑進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果為：（1）pH檢測(cè)：2號(hào)明顯酸性，1號(hào)和3號(hào)中性;（2）產(chǎn)物檢測(cè)：1號(hào)大量紅黃色沉淀，2號(hào)少量紅黃色沉淀，3號(hào)沒(méi)有反應(yīng);（3）淀粉檢測(cè)：1號(hào)沒(méi)有淀粉，2號(hào)和3號(hào)深藍(lán)色且沒(méi)有差異;（4）蛋白質(zhì)檢測(cè)：3支試管都沒(méi)有紫色。此時(shí)引起爭(zhēng)論，有同學(xué)認(rèn)為酶已經(jīng)參與反應(yīng)了，有同學(xué)提出反對(duì)意見(jiàn)說(shuō)硫酸反應(yīng)后仍然存在，酶應(yīng)該也存在，只是酶含量太少，檢測(cè)不出來(lái)，建議用酶試劑直接檢測(cè)，結(jié)果有淡紫色。教師鼓勵(lì)同學(xué)們課后去查雙縮脲試劑檢測(cè)蛋白質(zhì)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。讓同學(xué)們明白了雙縮脲試劑檢測(cè)蛋白質(zhì)其顏色與蛋白質(zhì)的含量、肽鍵的數(shù)目有關(guān)。

教學(xué)目的：教師不直接告訴同學(xué)們結(jié)果，而是鼓勵(lì)大家利用已有知識(shí)進(jìn)行探究，經(jīng)過(guò)觀察現(xiàn)象、提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施方案、得出結(jié)論、交流總結(jié)，在探究中提升了實(shí)驗(yàn)操作、團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新能力。對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)和解釋，特別是雙縮脲試劑檢測(cè)結(jié)果和預(yù)期不一致，大家能夠科學(xué)地分析原因，查找證據(jù)并驗(yàn)證，是科學(xué)探究的重要組成部分。

（三）分析解釋

教學(xué)過(guò)程：同學(xué)們根據(jù)1號(hào)和2號(hào)試管分析實(shí)驗(yàn)的自變量？因變量？無(wú)關(guān)變量？能得出酶具有高效性嗎？教師適當(dāng)引導(dǎo)后得出該實(shí)驗(yàn)自變量是催化劑的種類，因變量是淀粉分解的速率，無(wú)關(guān)變量有淀粉的含量、溫度等。通過(guò)對(duì)自變量和無(wú)關(guān)變量的分析和設(shè)置得出對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的概念，同時(shí)得出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的原則有單一變量原則、對(duì)照原則和平行重復(fù)原則。

教學(xué)目的：教師沒(méi)有直接照本宣科地告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)中各種變量的概念，而是根據(jù)內(nèi)容，請(qǐng)同學(xué)們分析得出概念，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，有利于學(xué)會(huì)并運(yùn)用控制變量及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則。分析幾支試管反應(yīng)得出淀粉酶含量低，很難檢測(cè)出來(lái)，卻能將淀粉完全分解，可以得出淀粉酶催化效率高于硫酸，也有利于形成生命觀念。

（四）概念精致

教學(xué)過(guò)程：利用淀粉酶和硫酸也可以證明酶具有高效性，請(qǐng)同學(xué)們分析上述高效性實(shí)驗(yàn)的不足之處。一是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，二是反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。此時(shí)，教師安排同學(xué)們快速閱讀“探究酶催化的高效性”活動(dòng)，分析實(shí)驗(yàn)的相關(guān)變量和實(shí)驗(yàn)原則。同學(xué)們分組進(jìn)行分析，得出自變量是催化劑的種類，因變量是H2O2的分解速率，檢測(cè)指標(biāo)是氣泡產(chǎn)生的速率。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該保證自變量用量一致，保證反應(yīng)物用量一致，保證反應(yīng)時(shí)間一致等。馬上就有同學(xué)指出課本所用的無(wú)機(jī)催化劑是粉末狀的MnO2，很難控制用量，因此實(shí)驗(yàn)將MnO2用FeCl3溶液代替，且催化劑用量都是兩滴。

教學(xué)目的：該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，如果直接讓學(xué)生進(jìn)行操作或者教師演示，可以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，但不利于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，特別是實(shí)驗(yàn)中涉及的相關(guān)變量的概念和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，而讓學(xué)生根據(jù)內(nèi)容總結(jié)，發(fā)現(xiàn)課本實(shí)驗(yàn)的不足，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，培養(yǎng)了批判性思維，更做到活學(xué)活用。也讓學(xué)生明白了，實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌x擇的材料應(yīng)該不同。

（五）總結(jié)評(píng)價(jià)

教學(xué)過(guò)程：教師提出問(wèn)題高效性實(shí)驗(yàn)中試管里產(chǎn)生的氧氣量一樣多嗎？如何驗(yàn)證？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題很多同學(xué)的第一反應(yīng)是1號(hào)試管產(chǎn)生的氧氣多，但很快有同學(xué)提出不同意見(jiàn)，認(rèn)為一樣多，因?yàn)?號(hào)試管產(chǎn)生氣泡的時(shí)間更長(zhǎng)。同學(xué)們反映只要把氧氣收集起來(lái)，比較多少就可以了。此時(shí)教師介紹實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備：鐵架臺(tái)、試管架、具支試管、注射器等。帶領(lǐng)大家提出關(guān)鍵問(wèn)題：（1）如何控制H2O2、催化劑用量一致？（2）如何避免催化劑和H2O2提前接觸？（3）如何保證實(shí)驗(yàn)同步？（4）如何收集氧氣？大部分問(wèn)題前面已經(jīng)討論，對(duì)于催化劑是直接滴加在試管里還是放在注射器里，大家有不同想法，最后大家覺(jué)得注射器里應(yīng)該裝的是液體，便于注射。氣體收集就是利用氣球，并固定在具支試管上。經(jīng)過(guò)討論和教師引導(dǎo)后設(shè)計(jì)了如下的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置：將試管夾固定在鐵架臺(tái)上，兩側(cè)各夾一支具支試管，分支側(cè)綁定氣球，試管口用試管塞塞緊，試管塞上插有注射器針頭（圖1）。最后完善實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）兩支試管中分別滴加兩滴催化劑;（2）注射器吸取等量H2O2;（3）將注射器針頭插入試管塞，并塞緊試管塞;（4）同時(shí)注入H2O2，觀察氣泡產(chǎn)生和氣球變化情況。結(jié)果幾分鐘后大部分小組的兩邊氣球大小相同，個(gè)別小組由于氣密性原因大小差別較大。

教學(xué)目的：對(duì)于學(xué)生的評(píng)價(jià)可以采用紙筆測(cè)試，小組討論，概念圖等形式開(kāi)展，而本節(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容變量控制和實(shí)驗(yàn)原則，通過(guò)測(cè)試更多地是考查學(xué)生的記憶，沒(méi)有靈活運(yùn)用，而采用探究實(shí)驗(yàn)的方式，更能夠考查學(xué)生對(duì)概念的掌握和理解。通過(guò)設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了科學(xué)思維和科學(xué)探究，有利于形成生命觀念特別是物質(zhì)和能量觀、局部和整體觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

三、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)反思

“探究酶催化的高效性”實(shí)驗(yàn)以前的教學(xué)模式是直接讓同學(xué)們完成實(shí)驗(yàn)，然后教師講解實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)內(nèi)容，分析如何控制變量，最后得出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般原則，學(xué)習(xí)了知識(shí)但是沒(méi)有培養(yǎng)核心素養(yǎng)，且很多學(xué)生不理解教材中酶的高效性選擇過(guò)氧化氫而不用淀粉為材料。而本文運(yùn)用5E教學(xué)模式，改變課本實(shí)驗(yàn)安排，利用淀粉酶催化淀粉分解引入，引導(dǎo)同學(xué)們探究試管內(nèi)的成分，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)總結(jié)出實(shí)驗(yàn)中相關(guān)變量的概念和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，然后通過(guò)精致概念分析課本實(shí)驗(yàn)的一些不足加以修正，完成教材實(shí)驗(yàn)，這一過(guò)程加深了對(duì)于概念的認(rèn)識(shí)。另外本文的另一創(chuàng)新是對(duì)于學(xué)生的評(píng)價(jià)是設(shè)計(jì)并完成探究實(shí)驗(yàn)，區(qū)別于傳統(tǒng)的紙筆測(cè)試和概念圖等，進(jìn)一步考查了知識(shí)的靈活運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京.人民教育出版社，2018：1-88.

[2]劉欣顏，麥紀(jì)青，劉恩山.運(yùn)用5E教學(xué)模式發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)：聚焦生物學(xué)核心素養(yǎng)的價(jià)值取向[J].教學(xué)導(dǎo)刊.2017（6）：48-53.

[3]方淳.“酶的催化效率”實(shí)驗(yàn)的幾種不同改進(jìn)方式[J].生物學(xué)通報(bào).2014（3）：49-50.

本文為浙江省2017年規(guī)劃課題“基于核心素養(yǎng)提升的高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”研究項(xiàng)目，課題編號(hào)為G1703601482。