基于生物学科核心素养的实验教学探索

禹萍 袁晓娟

文件编号：1003-7586（2020）08-0042-03

“比较过氧化氢（H2O2）在不同条件下分解”是人教版高中生物《必修1·分子与细胞》第五章第一节的实验。为了有意识地培养学生的科学探究能力、科学思维能力，形成生命观念等生物学科核心素养，笔者在教学过程中分三个阶段进行了探索，即课前教学准备阶段、课堂探究教学阶段和课后拓展探究阶段。

1课前教学准备阶段

设计课前教学准备流程图如图1所示。

生物科技活动小组在按照教材中的实验步骤进行预实验，小组成员们一致认为：通过粗糙地感知气泡的多少及卫生香的燃烧程度可判断分解速率，有利于快速得出结论。但是在探究实验中，新课程倡导教师应培养学生通过文字描述、数字表格、示意图、曲线图等方式完成报告，组织交流探究的过程和结果，并进行适当的评价。于是，笔者提出问题：能否尝试改进实验装置，通過获取数据定量得出结论呢？经过学习与讨论，学生集思广益，决定借鉴某研究者采用“巧用注射器优化比较过氧化氢在不同条件下分解实验”的做法，尝试利用注射器改进实验装置来解决问题。他们用带刻度的注射器代替试管进行实验，获取单位时间内H2O2水解的产物推动活塞移动的数值，来定量比较H2O2分解速率。装置由大小不同的注射器和连通器组成（图2）。

教师培训实验小组长时，要使他们明确：选取容积大的注射器（30mL或20mL均可）吸入H2O2溶液作为反应容器，容积小的注射器（1mL）则分别吸入无机催化剂FeCl3溶液、猪肝研磨液、胡萝卜汁、苹果汁、土豆研磨液、热水、蒸馏水等。连通两个注射器后小容积注射器内溶液注入到大容积注射器内，振荡并记录刻度值。组长需要反复操练达到熟练程度，并提前安排小组分工合作事宜，为课堂探究的有序开展做好铺垫。

2课堂探究教学阶段

课堂探究教学阶段是引领学生探究，发展科学思维能力，形成生命观念的重要途径。课堂探究实验教学流程图如图3所示。

教师引导学生提出问题：在不处理、热水浴处理、加入FeCl3溶液、猪肝研磨液等条件下，哪种条件下H2O2分解速率最快？

学生作出假设：加入FeCl3溶液的H2O2分解速率最快。各小组讨论、设计实验，最终确定了4组实验（表1）。

教师引导学生分析与思考：哪组是对照组？哪是实验组？共几组对照实验？单一变量、自变量、因变量以及无关变量分别是什么？可以直接获得不同条件下H2O2的分解速率吗？如果不行，那如何检测H2O2的分解速率？

各小组讨论后，达成共识：不能直接获得不同条件下H2O2的分解速率，但可以用“相同时间反应容器中活塞移动的距离长短”或“活塞到达最大距离时所用的时间”来表示。

教师提出问题：需要及时记录数据，那么该如何处理数据呢？

学生分析归纳、建构模型，设计表格记录数据（表2），以时间为横坐标、反应容器上对应的刻度值为纵坐标绘制曲线。并依据获取的数据，定量区分不同条件下的H2O2分解速率。

学生分析图表的数据，得出结论：注入猪肝研磨液的一组反应速率最快。

教师引导学生推理：为何猪肝研磨液的一组H2O2分解速率最快？猪肝细胞内是不是含有某种物质，是不是这种物质起到了比无机催化剂FeCl3溶液的催化效率还高的作用呢？

学生推测：细胞内存在比无机催化剂催化效果更好的物质！这样，学生构建概念“细胞的生存需要物质”，体现物质观;同时，体会课程标准要求掌握的重要概念——细胞的功能绝大多数基于化学反应。

接着，教师引导回顾经典实验“斯帕兰札尼研究鹰的消化作用的实验”，再结合此探究实验结论，可以使学生明确：细胞内存在起催化作用的一些物质，现在把它们称为“酶”，如肝脏研磨液里含有的H2O2酶等，即肝细胞中存在H2O2酶，它与FeCl3一样起催化作用，只不过H2O2酶的催化效率更高。该教学过程通过层层设问，在推理、探究、数据和图表分析中一步步建构生命观念之“物质观”，渗透着生物学学科核心素养的培养理念。

然后，教师结合实验二“水浴加热促使H2O2分解”阐明：因为热水浴使H2O2分子得到能量，从常态转变为容易分解的活跃状态。这样从而引出“活化能”的概念，即分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。再引导学生比较、分析、推理实验三和实验四，促进学生归纳得出：同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，因而催化效率更高。学生进一步建构概念：同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，因而催化效率更高。这样，学生自然而然地形成结构与功能相适应的生命观点。这是从结构与功能相适应的视角，来解释细胞由多种多样的分子组成（如含酶分子），这些分子是细胞执行各项生命活动的物质基础（生命观念、科学思维）。

3课后拓展探究阶段

课后创新实验设计可以拓展探究内容，对建构并深化学生进一步理解“酶”概念、形成生命观念，培养科学思维及科学探究能力，落实核心素养意义重大。故笔者带着学生从以下几个方面又开展了探究。

（1）增加酶量能增加产物的生成量吗？

分别推送0.1mL猪肝研磨液和0.5mL猪肝研磨液至1mLH2O2溶液中，观察反应容器活塞位置变动情况。结果发现，推送0.5mL猪肝研磨液的反应强烈，迅速产生大量气泡，活塞迅速被推开到15mL的位置;推送0.1mL猪肝研磨液则需要时间长但最终也到达15mL的位置。由此可得出“酶只改变化学反应的速率，不增加产物的生成量”的实验结论。

（2）酶在反应结束后还能保持催化的化学性质吗？

待反应结束后，反应容器内剩下的溶液中为反应产物和酶。再吸取2mL H2O2溶液到反应容器中，观察反应容器内是否有气泡产生或活塞移动情况。结果可观察到反应容器内有气泡产生，活塞迅速移动，说明酶在反应前后化学性质并不改变，还依然保持催化能力。

（3）除了猪肝细胞，其他生物的细胞研磨液也含有H2O2酶吗？

选取胡萝卜、土豆、苹果等几种生活中常见的生物，将它们制成研磨液分别注射到H2O2溶液中，观察现象与注射猪肝研磨液的实验比较。通过观察实验现象，发现猪肝的实验效果最好，但胡萝卜、土豆、苹果也能促进H2O2的分解。这说明它们的细胞中也含有H2O2酶，也能催化H2O2溶液，同时让学生亲身体会到正确选择实验材料的重要性。

（4）酶活性受到环境因素（如pH和温度等）的影响。

对猪肝研磨液分别用不同pH、温度处理后，再注入含H2O2的反应容器中，将之与实验四作比较，可发现酶活性受pH、温度影响。

从以上四个方面开展拓展探究，除了得出相关结论外，学生还发现：不同浓度的FeCl3和肝脏研磨液也会影响实验效果。组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键！对一个概念的探究学习可以结合课前、课中及课后进行，注意课内、外结合，则更有利于培养学生的创新精神和实践能力，进一步提升学科核心素养。