基于深度學習促使學科素養(yǎng)發(fā)展的教學設計

潘文平 康浩

摘 要 學科核心素養(yǎng)是新一輪高中課程改革的主旨理念?；谡n程標準要求和學生思維發(fā)展規(guī)律，結合深度學習理念，對“酶的特性”一課進行教學設計和實踐。設置真實情境，依托問題鏈的推動，以信息提取、實驗設計和探究為教學主線，通過深度學習，促使學生單一問題解決能力向同類共性問題解決素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變、提升，促使生物學科素養(yǎng)發(fā)展。

關鍵詞 高中生物 深度學習 學科素養(yǎng) 教學設計

作者簡介：潘文平（1983—），女，廣西荔浦人，荔浦市第三中學一級教師，大學本科，研究方向：生物學教學研究；康 浩（1984—），男，陜西富平人，廣西南寧市第九中學高級教師，碩士，研究方向：生物學教學研究。

深度學習是指在學習過程中，學習者通過對知識本質(zhì)的認識以及對學習內(nèi)容的批判，有效地進行知識遷移、解決實際問題。深度學習注重學習者積極地、批判性理解，強調(diào)知識網(wǎng)絡的建構，關注知識的現(xiàn)實意義，同時也是提升學生學科核心素養(yǎng)的重要途徑之一[1]。深度學習基于學生現(xiàn)有認知水平，通過真實情境引發(fā)，將現(xiàn)有知識整合處理，并將內(nèi)化后的知識和規(guī)律有效遷移至新情境中，達到解決新問題的目的。該學習模式著力于發(fā)展學生高階思維，將學生置于學習過程中的主體地位，在整合多重有效信息后，將新知有機嵌套于原有知識體系中，拓寬加深學生思維認知，不斷地完善學生知識水平，促使素養(yǎng)提升。本文以“酶的特性”為例，運用深度教學促使學生學科素養(yǎng)進階發(fā)展。

一、教材分析

“酶的特性”位于人教版《生物學》（必修1）第5章第2節(jié)。在內(nèi)容設置上起于酶的作用和本質(zhì)，進一步解釋作為催化劑的作用機理以及其活性受限制于多種外界因素，同時又為細胞代謝需要相對穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境提供了理論和現(xiàn)實解釋，也為后期內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)教學做了鋪墊。通過本節(jié)課的學習，學生能夠深刻地理解細胞代謝和生物體穩(wěn)態(tài)需要適宜溫度的物質(zhì)性和細胞學原因，基于酶的特性解釋真實情境和實際生活中的問題，初步形成物質(zhì)和能量觀。

二、教學目標

生命觀念：通過對資料和實驗的分析，歸納酶的特性，并解釋不同因素對酶的活性影響的異同，初步形成物質(zhì)與能量觀。

科學思維：通過綜合各種信息，從普遍現(xiàn)象中探析問題的本質(zhì)，形成規(guī)律并應用和解釋現(xiàn)實情境中的問題，促進思維進階。

科學探究：通過設計科學嚴謹?shù)膶嶒?，驗證酶的特性，從過程和結果兩方面加深對酶的特性的理解，提升科學探究能力。

社會責任：通過對生活和社會議題進行分析和討論，能夠提出適當?shù)慕鉀Q方案和合理建議。

三、設計思路

本節(jié)課以學生分析資料和設計實驗、活動探究為主線。前期教師應充分剖析本課題的核心內(nèi)容和所要達到的教學目標，收集多種學術材料作為輔材，提供實驗所需材料等，為學生學習和活動開展做好準備。最后引導學生對新情境和問題進行分析，完成知識的遷移和思維的進階，提升生物學科素養(yǎng)。具體設計思路見表1。

四、教學過程

（一）源于情境，提煉問題

小視頻：爆炒牛肉的制作（切片、腌制、爆炒、裝盤、上桌和食用），食客評價牛肉嫩滑可口。

[師]視頻中的牛肉嫩滑可口，而自家制作的牛肉往往干柴、難以咀嚼，為什么？

[生1]廚師是個老手。

[生2]牛肉本身比較好。

[生3]牛肉經(jīng)過特殊處理，經(jīng)過腌制。

設計意圖：學生通過觀看真實的情景過程，激發(fā)學生學習興趣。通過日常生活現(xiàn)象，引發(fā)學生思考可能存在的生物學知識，并試著解釋原因。

[師]（向?qū)W生展示某品牌嫩肉粉的成分表）經(jīng)過嫩肉粉腌制的牛肉的確嫩滑不少，為何要提前腌制，而不是像食鹽那樣，在炒制過程中添加呢？

[生4]嫩肉粉主要成分是木瓜蛋白酶。酶的主要成分是蛋白質(zhì)，經(jīng)過高溫爆炒，蛋白質(zhì)會變性失活，失去催化能力，所以要提前添加腌制。

[師]高溫使蛋白質(zhì)變性，低溫和常溫時酶的催化能力如何？經(jīng)高溫處理后，當溫度降低時，酶的催化能力是否可以恢復？

[生5]常溫和低溫時酶的催化能力一樣；高溫處理后，當溫度降低時，酶的催化能力可以恢復。

[生6]常溫和低溫時酶的催化能力不一樣；高溫處理后，當溫度降低時，酶的催化能力無法恢復。

設計意圖：通過問題的設置，引導學生透過現(xiàn)象分析本質(zhì)原因。在問題引導下，推動學生思考邊界外擴，促使學生從更深層次理解和解釋問題。

（二）學術引領，信息提取

[師]（展示圖片）大家注意觀察，第一幅圖是李鵬等人研究發(fā)現(xiàn)的液態(tài)發(fā)酵條件下擬康寧木霉8985產(chǎn)纖維素酶活性受溫度影響的變化曲線；第二幅圖是吳潔等人研究秸稈纖維素降解菌株產(chǎn)生的纖維素酶活性受溫度影響的變化曲線；第三幅圖是孫啟星研究醬油曲中谷氨酰胺酶活性受溫度影響的變化曲線。這三幅圖中的曲線有什么異同？

[生1]曲線都類似于開口向下的拋物線，三條曲線均有一個最高點。

[師]大家再仔細觀察橫坐標和縱坐標，三條曲線代表的是什么量（自變量）對什么量（因變量）的影響，總體趨勢是什么？

[生2]三條曲線均表示溫度對酶的活性影響變化曲線，而且在一定的范圍內(nèi)，酶活性隨著溫度的升高而升高。當酶的活性達到最大值時，如果繼續(xù)升高溫度，酶的活性開始降低。

設計意圖：通過多個專業(yè)學術資料的展示，讓學生了解溫度對酶活性影響的基本規(guī)律，使學生形成真實、直觀的感官認識。增強學生從多個資料中提取有效信息以及自主觀察和分析的能力，促使其由簡單觀察到逐步進行分析和歸納等思維能力的進階，提升科學思維素養(yǎng)。

[師]在溫度改變時，不同酶的催化能力表現(xiàn)出類似的變化趨勢和規(guī)律，說明溫度對酶的催化能力的影響是各不相同，還是具有普遍性？

[生3]具有普遍性。

設計意圖：該問題的設置旨在讓學生跳出材料本身，從更宏觀的層面看待溫度對酶活性的影響規(guī)律，從而形成整體意識。在遇到不同的真實情境時，學會知識的遷移，用物質(zhì)和結構觀的視角解釋具體問題，而非局限在教材所提供的例子。根據(jù)現(xiàn)場提供的材料，讓學生設計具體的實驗方案，驗證酶的活性受溫度影響的規(guī)律。

（三）研精致思，追根溯源

[師]胰蛋白酶的主要成分為蛋白質(zhì)，其可以催化蛋白質(zhì)水解。大家觀察脫脂奶粉溶于水后的樣子。

[演示實驗]現(xiàn)場沖奶粉展示，溶液呈乳白色，向奶粉溶液中添加適量胰蛋白酶，輕輕攪拌，乳白色的溶液逐漸變得澄清。

[師]酪蛋白是牛奶呈現(xiàn)乳白色的主要原因，大家想想，為什么乳白色的牛奶變澄清了？

[生1]胰蛋白酶將酪蛋白催化分解掉了，所以牛奶變澄清了。

[師]酶的活性受溫度影響是一個普遍性規(guī)律。能不能用胰蛋白酶和脫脂奶粉設計一個實驗，再次印證酶的活性受溫度影響。

設計意圖：該實驗的開展，學生首先要搞清楚牛奶從乳白色變?yōu)槌吻宓脑?，其次需要通過思考，酶活性的大小用什么指標表示，最后需要正確使用相應的指標反映酶活性大小與溫度的關系。實驗是科學探究的主要表現(xiàn)方式之一，而科學探究體現(xiàn)的是科學思維。本實驗的設計有效地鍛煉了學生對問題思考的思維深度，并需要將實驗數(shù)據(jù)做適當轉(zhuǎn)化用于表達最終的結果，對學生的思維能力要求很高。通過實驗得出與學術資料里一致的結果，可以進一步加深學生的印象，深化酶活性受溫度影響的變化規(guī)律。

[生2]胰蛋白酶可以水解酪蛋白，使牛奶變澄清，可設置幾組不同的溫度，將胰蛋白酶加入牛奶中，哪一組最快變?yōu)槌吻?，說明該組中胰蛋白酶活性最好；需要的時間越長，表明酶的活性越不好，說明此溫度抑制酶活性。

[師]大家的思路很好！需要考慮的是，一節(jié)課時間40分鐘，若酶的活性很低，需要很長時間才能水解酪蛋白，我們需要一直等下去嗎？其次怎么保證酶始終處在設定的溫度下，如何規(guī)避把胰蛋白酶加入牛奶時溶液溫度發(fā)生改變？最后，需要多少牛奶？要添加多少酶？

設計意圖：首先，引導學生在眾多可觀察的指標中，甄選最合理、最符合自身環(huán)境條件的指標進行觀察，顯然一直等待并不是最佳方案，因此需要引導學生尋找更好的觀察指標；其次，為了避免酶溶液和牛奶的溫度不同而造成實驗結果的較大偏差，如何改進實驗設計；最后，提示學生在設計實驗和探究過程中遵循實驗設計的原則，以避免酶和牛奶的量的不匹配對實驗結果的影響。以上問題的設置，著重引導學生從粗放的思維方式向嚴謹科學的思維方式轉(zhuǎn)變，通過具體問題提升思維深度，避免泛泛而談。

[生]（經(jīng)過討論后）一是將比較變澄清的時間長短，轉(zhuǎn)化為比較在相同時間內(nèi)的澄清度；二是先將酶溶液和牛奶保持在相同溫度下，待二者溫度相同后再對應添加；三是每一組的牛奶和添加的酶溶液的量要相等，遵循等量原則。

通過以上問題的引導和分析，最終學生設計形成實驗統(tǒng)計表如表2所示，以澄清度表示酶活性大小。

最后，教師通過收集所有小組的數(shù)據(jù)并輸入Excel電子表格，現(xiàn)場擬合出溫度對酶活性的影響曲線，如圖4所示。其總體變化趨勢與上述文獻中的結果一致。該結果僅為定性的變化趨勢，如果需要準確地測量出酶的最適溫度（酶活性最高時所對應的溫度），則可以使用分光光度法（吸收光譜法）等更為科學嚴謹?shù)姆椒ㄟM行測量。通過實驗的實施，學生更為直觀地看到溫度對酶活性的影響。

[師]與最適溫度相比，高溫和低溫狀態(tài)下，酶的活性均較低。在高溫和低溫下，酶活性較低的原因是否相同？若不相同，怎么驗證？

[生]（討論后）一是檢驗酶的分子結構是否改變；二是設計實驗，將低溫組和高溫組的酶分別收集起來，放置在最適溫度下重復上述實驗。如果催化效果良好，則證明酶的活性僅是受到抑制而已，如果催化效果仍然很低或者無催化效果，則證明酶的活性喪失。

[師]以上方案都很好，但是分子結構的改變與否不方便觀察，設計實驗驗證最為直觀。通過科學研究發(fā)現(xiàn)，低溫僅僅是抑制酶的活性，通過升高溫度，酶的活性可以恢復直至達到最大活性；而高溫則是破壞了酶的分子結構，使酶失去催化活性。課后同學們可以按照上述實驗思路，繼續(xù)開展探究，驗證解釋是否正確。

設計意圖：通過對學生的學習過程和結果進行評價和認同，激勵學生多思考。同時告知學生高低溫對酶的分子結構和活性造成的影響不同，避免學生通過曲線的走勢做出錯誤判斷。明確不同酶的最適溫度不同，甲酶的最適溫度，對乙酶而言可能已是高溫。人體內(nèi)的酶之所以可以和平共處，達到其最大活性，是因為它們的最適溫度基本都是37℃左右，這也是長期進化和適應的結果。當發(fā)熱時，體溫上升，各種消化酶的活性受到影響，從而導致無食欲等癥狀。

（四）學以致用，發(fā)展素養(yǎng)

[師]通過以上學習，如何用最少的加酶洗衣粉達到最佳的洗滌效果？

[生]檢查加酶洗衣粉里是什么酶，查資料確定該酶的最適溫度，用最適溫度的水進行洗滌效果更好。

[師]在無氧條件下，酵母菌將葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精，人們利用此原理釀造果酒。有些人釀造10-12天即可獲得葡萄酒。同樣的原料和酵母菌，有些人卻需要近一個月才能得到同樣純度的葡萄酒。分析一下，可能是什么原因？

[生]（討論后）在其他條件一樣的前提下，可能是二者發(fā)酵的環(huán)境溫度不同，酵母菌將葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精需要酶的催化，如果溫度太低或太高，則酶活性低，需要更長時間才能生成相同純度的酒精，可以調(diào)整溫度，盡量保持在酵母菌相應酶的最適溫度下進行發(fā)酵。

設計意圖：這兩個問題源于實際，學生對洗衣服尤為熟悉，易引起共鳴。通過本節(jié)課的學習，學生可以很好地將知識遷移至解釋現(xiàn)實生活現(xiàn)象和問題之中，理解其中的原由。大部分學生沒有釀造葡萄酒的經(jīng)歷，但其是真實的情境，進一步引導學生遷移課本知識，嘗試用所學所知解釋遇到的真實問題。在問題鏈的推動下，學生逐漸建立起知識和實際的聯(lián)系，慢慢形成解決問題的基本能力和素養(yǎng)，逐步拓寬看待問題的視野，提升解決問題的能力。

[師]酶的成分為蛋白質(zhì)或RNA，其活性不僅受到溫度的影響，同時也受到酸堿度的影響。與溫度一樣，不同的酶有最適合的酸堿度，即最適pH。與低溫不同的是，過酸和過堿均會破壞酶的分子結構，使酶永久失活。人類口腔酸堿度近乎中性，大家思考一下，唾液淀粉酶隨著食物流入胃腔后，是否還有活性？

[生]胃液為強酸，使唾液淀粉酶變性失活，喪失活性。

[師]解釋的很好，大家嘗試總結一下本節(jié)課的主要內(nèi)容。

[生]酶的活性受溫度和酸堿度兩個外界因素影響，每一種酶都有其最適溫度和pH。低溫會抑制酶的活性，而高溫、過酸和過堿均會使酶的分子結構遭到破壞而失去活性。

設計意圖：通過學生總結和表述，強化知識內(nèi)化，形成學生關于本節(jié)內(nèi)容的知識的認知架構。同時，評價學生的掌握程度，對缺失的核心內(nèi)容及時進行補充和完善。

五、教學反思

酶的特性一課，以真實情境導入教學，通過“用眼-動腦-用手-動口”多感官、多層次的遞進教學設計，不斷推進思維進階，促進學生深度學習。在學習過程中，著力于推動學生解決單一問題的能力向解決一類問題的素養(yǎng)方向轉(zhuǎn)變，拓寬學生思考問題的深廣度。真實情境的運用和實驗探究的實施，不斷激發(fā)學生的求知欲和熱情。在實踐教學中，學生投入度高、參與度大、思考域廣。同時，課時內(nèi)容較多，學生活動多，思考討論時間久，需要教師合理分配時間，既要保證教學活動的完整，更要保證教學活動的成效，使“教-學-評”一體化有效落實在各個教學環(huán)節(jié)。

[參 考 文 獻]

[1]黃彩霞，張賢金.基于深度學習的化學課堂教學設計實踐：以“二氧化硫的性質(zhì)和作用”為例[J].中小學教學研究，2019（8）：51-55.

[2]李鵬，莊文穎.液態(tài)發(fā)酵條件下擬康寧木霉8985產(chǎn)纖維素酶能力初探[J].菌物學報，2022，41（2）：281-290.

[3]吳潔，楊梅.一株秸稈纖維素降解菌株的篩選及其降解特性[J].吉林化工學院學報，2021，38（7）：19-24.

[4]孫啟星.醬油曲中谷氨酰胺酶酶學特性研究[J].中國調(diào)味品，2021，46（4）：82-85.

（責任編輯：姜顯光）