项目导学在“酶本质的探索”科学史中的教学实践

石进德

(福建省厦门市集美区灌口中学 厦门 361023)

项目导学是指围绕某个生物学大概念或核心概念，在实验过程或教学环节中，以新情境下的项目活动为引导，让学生在完成项目任务的实践过程中，综合运用已学的知识，理解生命现象和规律，由感性认识上升到理性认识的一种教学方式。高中生物科学史有助于学生深入理解科学的本质，体验科学研究的方法，感悟科学探究的精神[1]。以项目学习方式开展生物科学史教学，能更好地学习生物科学理论，掌握生物科学技术，构建系统性和工程化的高中生物学知识框架和高中生物学模型体系。

1 分析交流科学史，初识科学本质

教材中科学史内容都是以资料的形式呈现，通过分析可让学生了解生物科学史事实和知识形成过程，提炼科学家的研究方法，在科学事实中挖掘科学思想、学会分析和认识科学。

本环节采用内容分析法，围绕项目学习任务，引导学生带着原有知识和生活背景，系统、客观地指出信息(生物科学史内容)的主要特征，形成科学史发展过程概念图。根据教材和教师提供的科学史资料，围绕目标的确定→维度的设计→材料的抽取→材料的处理→概念的构建→知识的形成等几个环节，对“酶的本质探索”过程科学史进行分析，最终形成对酶的本质认知。1.1 确定研究目标 酶的本质探索源由→酶的本质探索历程→酶的本质→酶的概念。

1.2 设计分析维度 科学家的逻辑思想、不同观点、观点的积极性与局限性、酶的概念认知和酶的本质。

1.3 抽取分析材料 巴斯德、李比希和毕希纳三人的研究结果→萨姆纳等人的研究结果→切赫和奥特曼的研究发现。

1.4 处理分析材料 通过互相质疑、辩论形式，分析巴斯德与李比希的争论焦点→归纳毕希纳研究结果的认知，得到主张： 发酵是由酵母活细胞产生的某种物质引起→引出萨姆纳主张： 脲酶是蛋白质→延伸切赫和奥特曼的补充： RNA具有酶的特性。

1.5 构建材料框架 形成概念模型图解： 绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA。在教师的引导和启发下分析生物科学史。学生基于原有的认知科学地分析资料，结合科学与技术的发展、运用推理相互质疑，提出主张。

2 模拟科学史实验，体验科学本质

高中生物科学史展示了许多的实验设计、实验操作的范式。同时，也体现了科学家的逻辑思维，并且都伴随着技术的发展而不断地提升实验的科学性。而科学实验的可重复性是科学本质的重要内涵之一，在高中生物科学史的分析、理解基础上，利用简易或可替代的实验材料，设计类似实验项目，模拟科学史实验，尝试让学生动手实践，对相关实验进行简单模仿、体验，重温科学家的实验研究过程。

2.1 项目1： 模拟斯帕兰扎尼“鹰吞金属笼、消化笼中肉块”实验 引导学生尝试用家养的鸽子替代鹰，发挥奇思妙想，设计不同的材料替代金属笼吞食。学生排除物理性消化而提出化学性消化，通过实验直观又形象地理解化学性消化的本质，顺利进入酶的学习。

2.2 项目2： 模拟巴斯德、李比希、毕希纳实验 在“酶的本质探索”一节的科学史中，巴斯德提出发酵需要活酵母细胞参与，李比希认为发酵是酵母细胞死亡后释放的某些物质引起。引导学生思考毕希纳如何通过实验来结束这一争论。在此基础上指导学生分别用不同的酵母细胞进行对比实验，发现科学家争论的本质问题。学生经过亲身体验、解决了问题(表1)。

表1 巴斯德、李比希和毕希纳实验比较

2.3 项目3： 模拟萨姆纳实验 人教版教材中对萨姆纳提取脲酶科学史的介绍，只是简单叙述了其历经9年、尝试各种方法，最终利用丙酮提取到刀豆中的脲酶，脲酶能催化尿素分解成氨和CO2，但并未介绍其具体的实验过程和操作。那如何利用科学史的学习，更好地理解科学思维在科学探究中的作用，掌握正确的科学方法，体验科技进步对科学发展的促进作用呢？通过引导学生查阅相关资料，了解和初步学习刀豆脲酶提取工艺。利用实验室进行脲酶提取的实验尝试，学生经历了刀豆的粉碎、过筛、乙醇提取、沉淀、离心、过滤和纯化等实验过程。在实施过程中及时调整设计方案，根据丙酮微毒性特性、改用乙醇替代丙酮提取液。充分地认识到萨姆纳实验成功的原因，是选用合适的实验材料和正确的科学方法，进一步理解和领会脲酶(有机物)可通过有机溶剂来提取这一科学本质。

从萨姆纳采用多种方法证明脲酶是蛋白质，到引导学生回顾蛋白质鉴定实验中用双缩脲反应来测定，再到测紫外吸光值及电泳后染色等现代技术手段来检测脲酶，帮助学生更好地理解科学与技术的整合，体验科学的本质。

2.4 项目4： 模拟切赫和奥特曼实验 教材中切赫和奥特曼的实验，只概述了“发现少数RNA也具有生物催化功能”。经引导学生查阅资料，了解到两位科学家通过研究发现： 四膜虫rRNA前体在没有蛋白质存在的情况下能完成自我剪接，证明RNA具有生物催化功能。RNA酶种类较少、催化效率较低，中学的实验条件有限，难以模拟切赫和奥特曼的实验研究，可采用启发学生设计相对简化的探究实验，来探究酶的化学本质，证明RNA也可作为酶，具有生物催化作用(表2)。

表2 模拟切赫和奥特曼实验(探究酶本质的实验)

本实验通过对两种不同酶溶液的检测，验证具有生物催化作用的酶的化学本质除蛋白质外还有RNA，帮助学生更好地理解酶的概念。模拟和体验科学史的探究实验有助于拓展科学概念的内含和外延，促进科学概念的发展。

3 创新科学史实验，提升科学素养

科学史教学既基于事实又不局限于事实，教师可引导学生学习科学家的提出问题、设计实验、呈现科学观念、实验检测和总结评价等探究过程。学生根据自己提出的问题，自主设计实验，准备实验材料，进行相关实验拓展。从简单模仿到自主探究，进行智慧性地创新。通过创造式的学习和实践过程中的发现探索，提高批判性思维，提升科学素养。

3.1 创新项目1： 如何设计实验验证巴斯德、李比希争论的观点对与错 科学研究总是不断地在争论中产生共鸣，进而构建形成共识的科学认知。

例如，如何应用生物科学史中的争论，启发学生：“根据巴斯德、李比希两位科学家的观点，你会设计什么实验来论证？”围绕争论焦点“酒精发酵的本质是生理过程还是化学反应”，让学生写出设计思路，预期实验结果和结论，并开展探究实验进行验证，通过对实验结果的分析，能得出酒精发酵的本质是酶催化的生物化学反应。

通过实验理解巴斯德、李比希争论的观点是基于各自的研究背景，是特定的科学与技术发展为前提的，科学认知需要思维在不断冲突和碰撞中得到升华。

3.2 创新项目2： 探究刀豆中脲酶的真面目 学习是为了获取知识，提升认知。

例如，通过“酶本质的探索”一节科学史的分析和模拟实验的学习，学生能理解酶的本质是蛋白质。但是，关于脲酶在刀豆中的作用，对刀豆种子富含脲酶的原因等表现出了极大兴趣。教师再启发学生进一步思考：“植物并不合成尿素，那么刀豆中的脲酶除了催化分解尿素外还有什么作用？刀豆种子富含脲酶，是用于分解刀豆种子代谢中产生的尿素，还是分泌到土壤中分解尿素便于刀豆吸收和利用？”

将这些问题转化为探究性课题研究，通过课题拓展，让学生从课内走向课外，从科学史学习走向未知的科学探索，培养科学创新意识和科技创新精神。

3.3 创新项目3： 刀豆、大豆和绿豆中脲酶的比较 科学史学习说明萨姆纳是利用刀豆提取脲酶，由此启发学生围绕酶的提取、酶的特性等延伸探究，在认知酶的本质基础上进一步学习和理解酶的特性。

例如，探究不同豆类脲酶的含量；探究不同豆类中脲酶活性影响因素(表3)；根据酶的特性，如何能提高土壤尿素的利用率，探究降低脲酶的活性、减缓尿素的分解应采取的措施。

表3 刀豆、大豆和绿豆中脲酶活性影响因素的比较

通过设置对比实验，加强实验设计能力，学生在探究实验过程中掌握科学研究方法，提高科学思维能力，创新性地解决问题，更好地理解酶的本质与特性。

3.4 创新项目4： 家酿红酒如何不易变酸？如何保存？如何与酶相关？ 科学的传播和学习是为了学生联系现实的生活体验、理解和感悟，调动学生的主动性与积极性[2]。让学生从科学史中走出来，融入自然和社会，学会探究。

例如，结合学生生活实际，引导学生思考酒变酸原因，是由于空气中存在醋酸杆菌等微生物。空气中的微生物醋酸杆菌会进入酒中经过发酵产生醋酸，而使酒变酸。再思考让红酒如何不易变酸，如何保存，如何与酶相关，引导学生学会提出问题、作出假设、设计实验(拟定自变量与因变量、单一变量、对照实验)、实施实验、分析结果和得出结论。