基于学科核心素养的“生物体内的化学反应”教学设计

蒋金珍

(上海市进才中学 上海 200135)

1 教材分析

“生物体内的化学反应”是上海高中生命科学第1册教材中第4章第1节的内容，主要包括“合成反应和分解反应”“生物催化剂——酶”“生命活动直接能源——ATP”。其中，酶的作用特点和影响酶活性的因素是教学重点，酶的作用机理是难点。本节内容为学习“光合作用、细胞呼吸”等内容作了铺垫，又与第2章中“生物体内的有机化合物”部分密切联系，因此，本节内容具有承前启后的作用。本节内容在《普通高中生物学课程标准(2017年版)》中，属于必修课程模块1中大概念2。课程标准对本部分的内容要求是： 说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响；在教学提示部分，课程标准对本节内容提出了如下教学活动建议： 探究酶催化的专一性、高效性及影响酶活性的因素。

2 设计思路

2.1 聚焦大概念，引导学生形成生命观念 围绕生物学大概念组织教学内容，强调对重要概念的深入理解，为学生主动学习留出更多的时间，实现课程内容少而精，这是课程标准对课堂教学变革的要求和期待。基于课程标准要求和教材分析，笔者对本节内容进行了合理取舍，将“生命活动直接能源——ATP”安排在第2课时，确保在本节课中，让学生有比较充裕的时间进行实验探究，能够深入理解“酶的作用特点和酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响”这一生物学概念。从而有助于学生形成“细胞的功能绝大多数基于化学反应”这一重要概念，为理解“细胞的生存需要能量和营养物质”这一大概念起支撑作用，进而帮助学生从细胞角度，形成生命观念中的“物质和能量观”。

2.2 注重科学探究，培养学生科学思维 科学探究和科学思维是生物学学科核心素养的两个重要方面，也是生物学课程育人价值的集中体现。科学探究既是科学工作的核心内容和基本范式，也是一种学习方式，被普遍认为是培养学生科学素养的有效策略之一。因此，在生物学课堂教学中，教师要为学生创设更多的机会，让他们参与动手实践、思考、观察、记录和交流等活动；在探究过程中，学会提出、支持、评价以及修正观点，在运用事实和证据进行论证过程中，提升科学思维的能力。

本节课，通过“探究酶的高效性”和“探究影响酶活性的因素”这两个实验，给学生提供参与动手实践的机会，让他们亲历科学发现的过程；基于实验现象(即事实和证据)的比较和分析，引导学生运用归纳和概括等思维方法，进行逻辑推理，阐明“酶具有高效性以及温度和pH会影响酶的活性”这一科学概念，从而发展学生的科学思维。

2.3 迁移应用知识，培养学生社会责任 课程标准对“社会责任”的界定是： 基于生物学的认识，参与个人与社会事务的讨论，作出理性解释和判断，解决生产生活问题的担当和能力。学生应积极运用生物学知识和方法，尝试解决现实生活问题。依据课程标准的要求，本节课布置的课后作业，注重联系学生生活实际，将“生物催化剂——酶”的原理应用于解释加酶洗衣粉的洗涤条件、不适用于洗涤真丝类衣物的原因，并设计洗涤方案加以实践体验。通过网上搜索资料，让学生感悟酶在生活和生产实践中的应用价值和发展前景。设置这样的课后作业，目的是让学生更加关注学习后的实践经历，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，培养创新精神，能用科学的观点、知识、思路和方法，探讨或解决现实生活中的真实问题，从而实现生物学的学科育人价值。

3 教学目标

依据课程标准并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 能运用物质与能量观，举例说明生物与环境及体内细胞之间的物质变化和能量转换，进而实现机体的自我更新。

(2) 通过“探究酶的高效性”和“探究影响酶活性的因素”的实验，能运用简单符号和文字记录描述观察到的实验现象，在探究过程中，能与同学主动合作并交流结果。

(3) 能基于实验现象(即事实和证据)的比较和分析，运用归纳和概括等思维方法，进行逻辑推理，阐明“酶具有高效性以及温度和pH会影响酶的活性”这一科学概念。

(4) 能运用酶的原理解释加酶洗衣粉的洗涤条件、不适用于洗涤真丝类衣物的原因，并设计洗涤方案进行实践体验，解决生活中的实际问题。通过资料搜索，感悟酶在生活和生产实践中的应用价值和发展前景。

4 教学过程

4.1 创设情境，引出新陈代谢 联系学生生活实际，教师提出系列问题： 我们每天三餐摄入食物的目的是什么？食物中含有哪些营养成分？其中，哪些属于能源物质？学生在思考回答这些问题的过程中，归纳和概括出： 人体摄食的目的是获取机体生命活动所需的物质和能量。教师补充说明： 人体细胞每时每刻都在消耗能量，大家坐在教室里听课、思考，脑细胞消耗的能量大约占20%。因此，同学们日常三餐都要确保合理的营养，以补充细胞生命活动的需要。通过设问“细胞是如何从这些能源物质中获取所需的能量”引出细胞通过氧化分解有机物，释放能量，并将代谢产生的废物排出体外。教师小结： 正是由于生物体与环境之间不断地进行着物质交换和能量转换，机体内细胞之间也时刻发生着物质交换和能量转换，才能实现机体的自我更新，即新陈代谢。

设计意图： 从学生最熟悉的一日三餐导入，创设生活化的问题情境。一方面，引导学生在思考回答这些问题的过程中，理解物质代谢和能量代谢对于机体生命活动的重要性，引出本节课的重要概念——新陈代谢；另一方面，这些问题是真实的生活问题，对学生来说，感到十分亲近，学生非常自然地、快速进入学习状态，也缩短了师生之间的距离。

4.2 温故知新，判断反应类型 过渡： 新陈代谢是通过一系列化学反应完成的，生物体内常见的化学反应有两种类型，即合成反应和分解反应。

教师出示合成反应和分解反应的定义，组织学生依据定义，说出分析和判断化学反应所属类型的关键是什么？学生认为，关键是要区分哪些是大分子物质，哪些是这些大分子物质的基本单位或化学组成。然后组织学生回顾第二章学习过的有机化合物，如多糖、脂肪、蛋白质、核酸及其基本组成。

教师在PPT中列举氨基酸脱水缩合、多肽水解、葡萄糖脱氢分解三个化学反应，让学生分析、判断其所属化学反应类型，并讲出判断理由。再组织学生比较多肽水解与葡萄糖脱氢分解的异同，说明水解反应与氧化分解反应的异同。

设计意图： 在让学生回顾第2章生物体内主要有机物及其组成的基础上，让学生判断列举的化学反应所属的类型。既能让学生举一反三，触类旁通，又复习巩固了有机物的相关知识。通过新旧知识的衔接，有助于学生建构前后知识的内在联系。

4.3 设置探究，培养科学思维 过渡： 从刚才的反应中可以看出，生物体内不管哪一类化学反应，都需要在酶的作用下才能有条不紊地进行，酶是一种生物催化剂。我们在初中化学课上已经学过无机催化剂，让学生回顾无机催化剂的特点，引出生物催化剂也有此共性，但是两者有差异。

4.3.1 探究酶的高效性 学生通过下列实验(表1)，观察比较3支试管中出现的实验现象。

表1 试管1～3的实验步骤及实验现象

教师组织学生对实验现象进行分析讨论： 设置1号试管的目的是？比较2号与1号试管的现象，说明酶具有什么作用？比较2号与3号试管的现象，说明酶的作用特点。通过上述实验现象的观察、比较，由学生推导出： 酶具有催化作用；与无机催化剂相比较，酶的催化效率更高。

4.3.2 探究影响酶活性的因素 学生通过4、 5、 6三支试管实验现象的观察和比较(表2)，分析推导出： 影响酶活性的因素包括温度和pH。教师补充说明，除温度和酸碱度外，还有抑制剂、射线、重金属离子等也会影响酶的活性。

表2 试管4～6的实验步骤及实验现象

设计意图： 通过两个探究实验，提供学生实践的机会，引导学生学会用简单符号和文字记录描述观察到的实验现象；在探究过程中，学会与同学主动合作，并交流结果；学会基于事实和证据，运用归纳和概括等思维方法，进行逻辑推理，阐明生物学概念。

4.4 分析讨论，阐明酶的作用机理 组织学生围绕下列问题开展小组讨论： 为什么高温下，酶会失活？酶的化学本质究竟是什么？为什么酶具有催化作用，它的作用机理是怎样的？为什么酶具有专一性？教师出示两只分别放入蛋清和煮熟鸡蛋的烧杯，让学生观察比较，说明经过高温后，蛋白质凝固了，其形态结构发生了变化。然后，教师提供科学研究资料： 大多数酶是蛋白质。由此，让学生迁移解释酶经过高温后会变性失活的原因。

教师出示教材中“酶的专一性示意图”，说明图中酶分子的活性部位，只有与底物在结构和形状上完全契合，才能起催化作用。不同的反应物，结构和形状不同，所以一种酶只能催化一种物质或一类物质的化学反应。酶与底物之间的契合关系好比是锁和钥匙之间的关系，正如，你家的钥匙不能打开他家的门；反过来，如果由于某种因素破坏了酶分子的活性部位，那么底物也不能与之契合，就好比家里的锁坏了，钥匙也打不开。

设计意图： 酶经过高温后会变性失活，学生对此比较难以理解。教师通过让学生观察和比较蛋清和煮熟鸡蛋的蛋白质形态差异，易于理解蛋白质在高温下变性失活，从而迁移解释“酶经过高温后会变性失活”的原因。通过实物比较以及用“锁和钥匙关系”比喻“酶的专一性”，可以化抽象为形象，有助于学生更深刻地理解“绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到温度的影响”。

4.5 课堂小结，迁移应用解决问题 组织学生归纳小结酶的定义、作用特点、影响因素、作用场所。让学生举出实例，如： 加多酶片、加酶洗衣粉、酵素等，说明酶在生产实践和日常生活中的应用，并归纳本节的知识导图(图1)。

图1 本节知识导图

教师布置课后作业： ①仔细阅读洗衣粉袋上的说明，解释加酶洗衣粉的洗涤条件、适用何种材质的衣物、去污力强的原因；②运用“影响酶活性的因素”这一知识，设计一个合理的洗涤方案，使加酶洗衣粉中的酶发挥最好效果，并在家中实践一次；③以“酶”为关键词，在网上搜索相关资料，分析其在生活和生产实践中的应用价值和发展前景。

设计意图： 组织学生自己归纳本节课所学内容，促进学生自己建构知识框架，形成知识之间的内在联系。课后布置的实践类作业，有助于学生学以致用、实践体验、感悟“生物催化剂——酶”在日常生活和生产实践中的价值。

5 教学反思

基于课程标准的要求，笔者认为： 在进行教学设计时，教师首先要理解生物学核心素养是本学科实现“立德树人”根本任务的价值所在，要仔细分析并挖掘教材内容中隐含的学科育人价值，学会将专家的顶层设计细化落实到每一节课堂教学中，始终将学科核心素养作为教学设计的出发点和落脚点。其次，教师要将“以学生发展为本”的理念，落实到课堂教学设计中，要有意识地创设有助于学生有效学习的探究实验、动手实践、互动交流等学习环节，让学生在科学探究过程中，发展科学思维，基于事实和证据，作出理性解释和判断，具有解决生产生活问题的担当和能力。

本节课在学科核心素养导向下，注重关注学生的生活经验，创设真实问题情境；通过科学探究，对比分析实验现象，培养学生科学思维；注重新旧知识的衔接，引导学生建构内在联系，形成物质和能量观；迁移应用所学知识，解决生活中的真实问题。彰显了生物学教学的独特育人价值，实现从“学科教学”向“学科教育”的转变。