挖掘教材實(shí)驗(yàn)背后的科學(xué)思維

朱滿(mǎn)員

摘要 圍繞酶的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中反應(yīng)類(lèi)型和檢測(cè)方法的選擇及其本質(zhì)與原理的剖析，充分運(yùn)用了歸納演繹、評(píng)價(jià)比較、綜合分析、批判反思等科學(xué)思維，建構(gòu)概念，提煉觀念，落實(shí)了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞? 科學(xué)思維酶活性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號(hào)：1003-7586（2023）03-0081-03

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。主要指歸納演繹能力、問(wèn)題求解能力、決策力和批判力等，也是學(xué)生面對(duì)未來(lái)需要通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的關(guān)鍵能力?？茖W(xué)思維能力只能在高階思維過(guò)程中得到培養(yǎng)，需要情境、載體來(lái)落實(shí)，高中浙科版生物學(xué)教材中與酶有關(guān)的實(shí)驗(yàn)——探究酶的高效性、探究酶的專(zhuān)一性、探究溫度與PH對(duì)酶活性的影響，以及驗(yàn)證酶的催化作用，酶的化學(xué)本質(zhì)和酶的固定化等，其因復(fù)雜多變的情境，需要運(yùn)用演繹推理、比較選擇、綜合分析、評(píng)價(jià)批判等能力，是科學(xué)思維得以產(chǎn)生和發(fā)展的完美載體。

1? 歸納演繹法的體現(xiàn)

歸納和演繹是科學(xué)研究中運(yùn)用最為廣泛的邏輯思維方法。歸納是從個(gè)別到一般的認(rèn)識(shí)過(guò)程，而演繹則是從一般到個(gè)別的推理過(guò)程，演繹的一般知識(shí)往往來(lái)源于經(jīng)驗(yàn)的歸納。如在酶的發(fā)現(xiàn)史教學(xué)中，薩姆納首次提純并證明酶是一種蛋白質(zhì)，后繼又提純了其他的酶，并證實(shí)都是蛋白質(zhì)。所以酶曾經(jīng)的定義是“活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的蛋白質(zhì)”。后因核酶的發(fā)現(xiàn)，酶的定義修改為“由活細(xì)胞產(chǎn)生的一類(lèi)生物催化劑，大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)”。這是基于歸納法得出的結(jié)論。既然大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，那么酶應(yīng)具有蛋白質(zhì)的所有特性：蛋白質(zhì)具有多樣性，酶也應(yīng)有多樣性；蛋白質(zhì)有專(zhuān)一性，酶同樣應(yīng)有專(zhuān)一性；蛋白質(zhì)的作用方式就是酶的作用機(jī)理；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)易受溫度、 PH 值及某些金屬離子的影響，酶也應(yīng)亦然。由蛋白質(zhì)的一般特性推導(dǎo)出酶的特性，這就是演繹法在科學(xué)探究中的應(yīng)用。

日常生活中的所謂“經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”及“據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷”就是一種歸納法與演繹法的“本土化”，人們常運(yùn)用而不自知，這就需要教師來(lái)“捅破窗戶(hù)紙”，酶的教學(xué)就是這個(gè)契機(jī)，而不是等到孟德?tīng)柖刹砰_(kāi)始讓學(xué)生了解“演繹推理法”。而且，越早掌握這種思維方法，學(xué)生就能越早受益，因?yàn)檠堇[推理保證推理有效的依據(jù)并不在于它的內(nèi)容，而在于它的形式，即它對(duì)人的思維保持嚴(yán)密性、一貫性有著不可替代的校正作用。

2 比較評(píng)價(jià)權(quán)衡的運(yùn)用

“極好”與“極差”是很容易選擇的，但在現(xiàn)實(shí)中常需要做的是“兩害相權(quán)或兩益相權(quán)”。深入理解是理性決策的前提，在有限的時(shí)間內(nèi)理解信息并做出決策，是學(xué)生面對(duì)信息時(shí)代所必需的“心智技能”。在驗(yàn)證酶特性的多種實(shí)驗(yàn)方案中，培養(yǎng)學(xué)生的權(quán)衡決策能力是其中的重點(diǎn)之一。如驗(yàn)證酶專(zhuān)一性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中就涉及實(shí)驗(yàn)方案的選擇（表1）。學(xué)生需要分析表中2個(gè)方案哪個(gè)可行還是都可行？為什么？若實(shí)驗(yàn)?zāi)康母臑椤疤骄棵笇?zhuān)一性”則實(shí)驗(yàn)方案是否相同？如果實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑俑臑椤膀?yàn)證淀粉酶具有專(zhuān)一性”呢？

這里的思考難點(diǎn)是：需要先比較“驗(yàn)證酶專(zhuān)一性”“探究酶專(zhuān)一性”以及“探究淀粉酶的專(zhuān)一性”之間的區(qū)別，再權(quán)衡實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方案的匹配度。不同的實(shí)驗(yàn)方案服務(wù)于不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?yàn)證酶專(zhuān)一性，是基于酶專(zhuān)一性的定義，即一種酶只能催化一種底物或少數(shù)幾種相似底物的反應(yīng)。方案1中通過(guò)證實(shí)淀粉酶只能分解淀粉不能分解蔗糖，即淀粉酶具有專(zhuān)一性，從而不完全歸納出酶具有專(zhuān)一性；而方案2則通過(guò)證明淀粉酶能分解淀粉，而以蔗糖酶為代表的其他酶不行，從另一角度不完全歸納了酶具專(zhuān)一性。因此，“驗(yàn)證酶專(zhuān)一性”時(shí)，方案1、2都可行。由此可得，要驗(yàn)證淀粉酶具有專(zhuān)一性，只能用方案1而不能用方案2，因?yàn)榉桨?沒(méi)有證明淀粉酶不能分解其他物質(zhì)。如果將實(shí)驗(yàn)?zāi)康母臑椤疤骄棵傅膶?zhuān)一性”，原則上應(yīng)將細(xì)胞中所有的酶都做一遍才能證明酶具專(zhuān)一性——完全歸納。但這是不可能的任務(wù)，只能不完全歸納地選兩種酶——淀粉酶、蔗糖酶來(lái)演繹探究。即在這里，“探究酶專(zhuān)一性”等同于“驗(yàn)證酶專(zhuān)一性”。正是基于此，教材中包括空白對(duì)照，共設(shè)置6支試管，將方案1與方案2進(jìn)行合并。

此外，探究酶專(zhuān)一性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還涉及檢測(cè)試劑的選擇：從檢測(cè)的底層邏輯考慮，本實(shí)驗(yàn)可選的檢測(cè)試劑有碘液與本尼迪特試劑，是“二選一”還是兩者都可？不行理由是什么？教學(xué)意圖是：①闡明檢測(cè)方法的底層邏輯，提升學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力。②討論這2種檢測(cè)試劑在不同方案中的適用性，著重分析“落選”理由。③增加嚴(yán)謹(jǐn)性。本尼迪特試劑適用的一個(gè)前提是反應(yīng)物不具還原性，設(shè)置空白對(duì)照的必要性就不言自明。若更嚴(yán)謹(jǐn)起見(jiàn)，還需要檢測(cè)酶溶液的還原性，甚至檢測(cè)淀粉、蔗糖及相應(yīng)酶的純度，以防出現(xiàn)假陽(yáng)性。

在后續(xù)“探究PH或溫度對(duì)酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，同樣涉及實(shí)驗(yàn)方案、檢測(cè)方法與試劑的選擇。比較權(quán)衡能力的培養(yǎng)，需要像分析實(shí)驗(yàn)方案與檢測(cè)方法一樣，既要引導(dǎo)學(xué)生去分析選擇的理由，也要分析不選的理由。有時(shí)是“長(zhǎng)板”決定了選擇權(quán)重，有時(shí)卻是“短板”造成了“一票否決”。深入理解，多方權(quán)衡才能作出相對(duì)正確的選擇，這也是綜合素養(yǎng)中高質(zhì)量地認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的重要體現(xiàn)。

3 質(zhì)疑與批判的養(yǎng)成

科學(xué)思維的基本特點(diǎn)是以實(shí)證為判別尺度、以邏輯作論辯的武器、以懷疑作審視的出發(fā)點(diǎn)?？茖W(xué)思維不僅是對(duì)外的，即認(rèn)識(shí)世界的方式，科學(xué)思維還是對(duì)內(nèi)的，即對(duì)自己的認(rèn)知。所以，沒(méi)有習(xí)慣于對(duì)自己認(rèn)知的質(zhì)疑與批判，科學(xué)思維的起點(diǎn)就不復(fù)存在，嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)、謙遜的求知態(tài)度，也是“毛將焉附”。酶的本質(zhì)與特性的探究過(guò)程本身，就是學(xué)生思考與質(zhì)疑、分析與批判的對(duì)象。如驗(yàn)證酶特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)，從依據(jù)“酶絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)”推理出“酶具有專(zhuān)一性”“溫度或PH值會(huì)影響酶的活性”的特點(diǎn)；依據(jù)酶與無(wú)機(jī)催化劑的作用機(jī)理比較，即“無(wú)機(jī)催化劑通過(guò)與底物反應(yīng)讓一個(gè)活化能高的慢反應(yīng)變成了若干個(gè)活化能低的快反應(yīng)來(lái)加快反應(yīng)速率的，而酶與底物結(jié)合后，不僅活化了底物分子還大大增加了底物分子間的有效碰撞，因此酶的催化效率會(huì)比無(wú)機(jī)催化劑高很多”推理出酶具高效性。可再合理的推理也僅是一種推測(cè)，一種推測(cè)要上升為科學(xué)觀點(diǎn)，不僅要求推理過(guò)程是合邏輯的，還要有可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)支持。所以教材便安排“探究酶的專(zhuān)一性”“探究酶催化的高效性”和“探究 PH 對(duì)過(guò)氧化氫酶的影響”的探究活動(dòng)。崇尚“實(shí)證”，且是基于生物學(xué)學(xué)科認(rèn)同的研究方法，可預(yù)測(cè)、可量化、可重復(fù)的實(shí)證，使得科學(xué)思維有別于其他思維。理解教材的編排意圖以及實(shí)證之于科學(xué)思維的意義，依托“從依據(jù)推理出觀點(diǎn)，再為觀點(diǎn)尋求實(shí)證”的論證模式設(shè)計(jì)教學(xué)流程，教師就會(huì)有意識(shí)地去挖掘?qū)嶒?yàn)背后的批判意識(shí)，即與其等別人挑刺，還不如自行批判，而不僅僅是跟著試題與教輔材料走。

批判的意識(shí)與能力就是在對(duì)知識(shí)的批判性認(rèn)識(shí)和理解過(guò)程中形成的，因而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是養(yǎng)成質(zhì)疑與批判習(xí)慣的最佳途徑。畢竟，有質(zhì)疑才會(huì)去追求科學(xué)的實(shí)證，幫助學(xué)生去“親歷”知識(shí)的發(fā)現(xiàn)與建構(gòu)過(guò)程，本身也是深度學(xué)習(xí)過(guò)程。

4 教學(xué)感悟

酶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)專(zhuān)題是在浙科版（2019版）必修一教材的基礎(chǔ)上又拓展了“驗(yàn)證酶是催化劑”“酶的固定化”等實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容多，綜合性強(qiáng)，基本作為酶的專(zhuān)題復(fù)習(xí)之用。而對(duì)酶本質(zhì)與特性探究過(guò)程的“復(fù)盤(pán)”與“泡發(fā)”不僅幫助學(xué)生完善酶的知識(shí)體系，建構(gòu)關(guān)于酶概念的完整認(rèn)知，還實(shí)現(xiàn)了從概念到觀念，從能力到素養(yǎng)的升遷。

4.1從概念到觀念

某種概念的形成既需要比較與分類(lèi)、歸納與演繹，也可能是分析與綜合、抽象與概括的結(jié)果。一個(gè)觀念的形成同理也需要許許多多概念的積累。本專(zhuān)題的重要概念當(dāng)然是“酶是生物催化劑”，下層概念是“絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)”“酶具有專(zhuān)一性和高效性”以及“酶的催化功能受多種條件的影響”。這些概念都是在解決一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，逐步概括形成的。但止步于此，學(xué)生較難去考慮酶為何具有這些特性。如“酶的催化功能受多種條件（PH、溫度、輔酶等）的影響”，此特性怎么看都象是酶的“缺點(diǎn)”。但這真的是酶的“設(shè)計(jì)缺陷”嗎？恰恰是酶易受內(nèi)外多種因素的影響，加之細(xì)胞中的一切代謝反應(yīng)都置于酶的催化之下，調(diào)節(jié)酶的數(shù)量與活性便是細(xì)胞調(diào)節(jié)其生命活動(dòng)的“不二法門(mén)。也就是說(shuō)，是自然界選擇了酶易受多種因素影響的特點(diǎn)，使得細(xì)胞的代謝能“隨境應(yīng)變”。獨(dú)特的進(jìn)化視角使酶的“缺點(diǎn)”變成了“優(yōu)點(diǎn)”。著名的生物學(xué)家杜布贊斯基曾說(shuō)過(guò)，若無(wú)進(jìn)化之光，生物學(xué)毫無(wú)道理?？梢?jiàn)，進(jìn)化論既是一種認(rèn)知結(jié)論，也是一種認(rèn)知方式，還是生物學(xué)學(xué)科獨(dú)有的、最有價(jià)值的生命觀念。讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用進(jìn)化論的觀點(diǎn)解釋生命現(xiàn)象，不僅是科學(xué)思維、深度學(xué)習(xí)的重要體現(xiàn)，也是形成生命觀念的重要途徑。

在解釋酶特性及輔酶存在意義中體現(xiàn)了進(jìn)化與適應(yīng)觀、生命的整體觀。除此之外，還運(yùn)用了跨學(xué)科的觀念：①結(jié)構(gòu)與功能觀。如酶的催化功能取決于酶的空間結(jié)構(gòu)。②比較與權(quán)衡觀。如有關(guān)酶特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都是在不同實(shí)驗(yàn)方案、不同反應(yīng)類(lèi)型及不同的檢測(cè)方法之間進(jìn)行比較與權(quán)衡，從而選擇最優(yōu)方案。酶的固定化方案也是在不同介質(zhì)、不同固定方法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)之間比較出最優(yōu)解。③底層邏輯觀。所謂底層邏輯，就是從事物的底層、本質(zhì)出發(fā)，尋找解決問(wèn)題路徑的思維方法。反應(yīng)檢測(cè)試劑的選擇、固定化酶方法的選擇都是從其底層邏輯出發(fā)來(lái)確定思考方向的。這些跨學(xué)科觀念的運(yùn)用也有助于學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)，更是深度學(xué)習(xí)的標(biāo)志。

4.2從能力到素養(yǎng)

能解決某個(gè)特定問(wèn)題，是能力。能將解特定的問(wèn)題的能力應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、教學(xué)等多領(lǐng)域，便是素養(yǎng)。素養(yǎng)可以看作是學(xué)識(shí)與能力的遷移，一旦習(xí)得終身受益。在“酶是生物催化劑”的教學(xué)中，學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的實(shí)操能力固然重要，而且在科學(xué)發(fā)展的早期，生物學(xué)的許多理論都源于觀察與實(shí)驗(yàn)。但隨著科學(xué)理論的豐富，現(xiàn)在更多的是理論去指導(dǎo)觀察，觀察無(wú)不滲透著理論。所以，讓高中生學(xué)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)背后的原理進(jìn)行綜合分析、比較權(quán)衡、質(zhì)疑批判，更能涵養(yǎng)與豐富學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。酶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)從進(jìn)化論到跨學(xué)科觀念的應(yīng)用，及許多的“為什么可以”“為什么不可以”“更好的方案是什么”等一系列問(wèn)題的討論都是培養(yǎng)科學(xué)思維能力的“著力點(diǎn)”。所以，能力的培養(yǎng)、素養(yǎng)的養(yǎng)成，都離不開(kāi)教師一課一言的滲透與默化。

總之，核心素養(yǎng)的形成是一個(gè)隱性而長(zhǎng)期的過(guò)程，就需要教師挖掘教材中的高階思維過(guò)程，才能深刻理解生命的本質(zhì)，孕育核心素養(yǎng)的萌芽與發(fā)展。酶的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)凸顯了以質(zhì)疑為思考視角、用邏輯作為論辯準(zhǔn)繩、實(shí)證作為判斷尺度的科學(xué)思維，這是人類(lèi)最高級(jí)的認(rèn)知模式，當(dāng)模式變成思維的范式與習(xí)慣，便為我們的頭腦裝入了一套“操作系統(tǒng)”，進(jìn)而發(fā)展為伴其一生的科學(xué)素養(yǎng)。

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