立足学生认知 提升科学探究能力——以“降低化学反应活化能的酶”为例

（江苏省泰州市姜堰区罗塘高级中学 江苏泰州 225500）

科学探究作为生物学学科素养内容之一，是体现当代中学生综合素质的重要指标。生物学是一门基于科学探究能力发展起来的学科。在生物学教材中，有很多科学发现都可以作为提升科学探究能力的载体。例如，教材在“降低化学反应活化能的酶”的发现史中，就列举了多位科学家通过因果递进的系列探索揭示酶化学本质的过程，并介绍了如何通过一系列实验设计来探究酶在细胞代谢中的作用、酶高效性、专一性、需要适宜的温度和pH。教学要达到学生积极思考、真实探究的境界，教师所设置的问题和教学情境一定要立足于学生的认知顺序、认知疑点、认知难点、认知冲突等，方能实现真正的探究性实验教学。

1 根据学生的认知顺序，调整教材的教学顺序

现有的某版本教材设置是从酶的作用和本质入手，通过比较过氧化氢在不同条件下的分解，说明酶的作用机理，然后再通过资料分析，解读出酶的化学本质。然而，学生通常都是从感性上分析出酶是一种什么样的物质，才能产生探究其功能的动力。这种顺序偏离了学生通常的认知顺序：发现→本质属性→作用或功能探究→影响因素的分析与实验验证。在教学中，教师可调整教材设计的顺序，将资料分析中的现象作为探究的情景，设计问题，要求学生思考设计探究实验的方案。若学生觉得难度较大时，可引导学生阅读科学家设计的实验思路，并以此设问其设计的目的及优点。具体设计思路见表1。

表1 “酶的发现历程”的教学设计思路

在学生分析、讨论的基础，教师引导学生归纳酶的概念：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中大多数是蛋白质。为了便于学生更加深入理解酶概念的内涵与外延，教师可设计问题：酶合成的场所在哪？酶的化学本质是什么？其基本单位是什么？如何进行检测？联系生活实际，思考酶离开活细胞能否发挥催化作用？学生通过对上述问题的求解，可以更加完善酶概念的内涵与外延。

2 顺着学生的认知疑点，设计实验进行探究概念本质和酶的高效性

在获知酶的概念之后，学生就会产生一系列的认知疑点：怎么验证酶具有催化作用呢？酶是怎么发挥催化作用的呢？与无机催化剂相比，酶的催化效果如何呢？教师可以顺着这些认知疑点，设计实验，逐步完善学生的认知。

在过氧化氢在不同条件下分解实验的教学中，教师可列表设计出四组试管中添加的物质以及处理方式（表2），提出问题，引导学生思考：①对照组是哪一支试管？②试管2、3、4分别与试管1对照，能得出什么结论？③试管3、4加入的均属于催化剂，与试管2一样均可促进H2O2溶液的分解，其作用原理与90℃水浴加热是否相同？

表2 H2O2在不同条件下分解的实验设计

对于问题③的分析，学生难以理解清楚。这时，教师可借助于活化能的概念，提出问题，促进学生思考：分子要参加反应需要什么条件？达到活化能所需的能量一般来自于什么？活化能的高低与化学反应发生的难易程度有何关联？学生联系化学学习中有些化学反应的发生需要加热的条件，可判定出：活化能所需的能量一般是吸收周围环境的热量，活化能越高，加热的温度越高，反之可在常温下进行。就此，学生即可领悟出90℃水浴加热之所以加速H2O2溶液分解的原因：通过加热，提供能量给H2O2分子，使其达到所需的活化能，从而快速分解。如何引导学生分析试管3、4中H2O2分解加快的原因，是教学的重难点。教师可设计问题：作为催化剂的FeCl3、H2O2酶能否像试管2那样提供能量，有助于H2O2分子达到活化能呢？学生根据达到活化能所需能量的来源，很容易得出答案。然后，教师再联系活化能的高低与化学反应发生的容易程度，设计问题：催化剂的作用与活化能的变化有何关联？引导学生根据人教版必修1教材中第80页图5-1、5-2展开讨论分析，即可得出催化剂作用的机理为通过降低化学反应的活化能，促进化学反应的进行。

为了研究酶催化具有高效性，教师可引导学生分析试管3与4的比较，提出问题：既然作为催化剂的FeCl3溶液和酶，都是通过降低活化能加快化学反应的进行。为何试管4反应速率远远高于试管3呢？从而引导学生归纳出酶降低活化能的作用远高于无机催化剂，说明酶的催化具有高效性。

通过“催化性→活化能→高效性”这些疑点逐个突破的过程，教师还可指导学生掌握实验设计中变量控制方法以及实验设计需要遵循的原则，为进一步探究酶的专一性和影响因素打好基础。

3 紧扣学生的认知难点，设计实验探究酶的专一性

美国教育家艾里克森说过，如果没有理解一个概念的难点，概念的学习只能停留在较低的认知水平，学生也就只能对相关的事实进行死记硬背。这就需要教师在课堂教学中紧扣学生在概念认知中的难点，明确探究的方向，精心设置问题情景或材料情境，给与学生充分的选择空间，在尝试中选择实验方案，利用批判性思维指导学生展开讨论，最终引导学生自由成长。

在进行“酶专一性”的教学中，教师首先可引导学生阅读酶作用专一性的概念：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。其中“一对一的关系”是这个概念的认知难点，也是探究的核心问题。为了在教学中引导学生理解该问题的实质，教师可提供淀粉酶、淀粉溶液、蔗糖酶、蔗糖溶液、碘液、斐林试剂等以及其他必需的实验器材，要求学生设计验证专一性的实验。教师要提醒学生特别注意检测试剂的选择，并引导学生分析出选择与否的原因。大多学生很容易设计出同一种酶催化两种不同的底物，如取两支试管，依次加入等量的淀粉溶液、蔗糖溶液以及等量淀粉酶或蔗糖酶。对于检测试剂的使用，一部分学生选用碘液，一部分选用斐林试剂。建构主义学习理论表明，学习应该是认知主体的内部心理过程，学生才是信息加工的主体。因此，对于学生的选择，教师不要急于给出判断，而是要求学生说出选用的理由。在批判与修订中完成结果的分析，在对第一种实验方案分析之后，教师还可以提出疑问：还有没有另一种方案呢？经过讨论之后，学生会提出不同酶催化相同底物：由于存在淀粉和蔗糖这两种底物，因此，又存在两种实验，即底物均为等量的淀粉或蔗糖溶液，两支试管中依次加入等量的淀粉酶、蔗糖酶。实验结果的检测同样需要学生分析出理由。最后，教师可联系蛋白质多样性的特点以及蛋白酶可催化所有蛋白质水解，从而促进学生理解每一种酶可催化一类化学反应的进行。

4 创设学生的认知冲突，设计实验探究温度、pH影响酶的活性

认知冲突是指认知主体已有认知结构与新知识或新情境之间不能包容，或不同认知主体对某一问题存在不同看法的现象。在教学中，教师可引导学生将基于对生物学认识的预期判断与已有的认知结构或内容进行碰撞，使学生形成认知冲突，再加以点拨，以服务于教学。

影响酶促反应速率的因素除了底物和酶的浓度之外，酶活性的控制同样重要。因此，教材中设计了温度、pH影响酶活性的实验。教师可给肝脏研磨液（含过氧化氢酶）、过氧化氢溶液、淀粉酶、可溶性淀粉溶液等实验材料，以及碘液、斐林试剂检测试剂，提出问题：若进行探究温度影响酶活性实验中，可选择哪一组实验材料，为何不选另一组材料？教师可引导学生回忆酶高效性的探究过程，引导学生捕捉到“过氧化氢在受热情况下会自动分解”的点，让他们产生“高温下的过氧化氢水解是温度变高，还是酶活性变强的缘故呢？”的认知碰撞。这样，学生就会在探究温度影响酶活性实验中，弃选肝脏研磨液（含过氧化氢酶）与过氧化氢溶液，而选择淀粉酶。但对于探究pH影响酶活性实验材料、鉴定试剂的选择，学生却无法准确选择，教师可补充适当的认知基础：淀粉为高分子化合物，一定条件下可以水解，可加入稀硫酸并加热。在这样的认知基础引导下，学生同样会产生“酸性条件下淀粉的水解是H+的催化，还是淀粉酶的催化呢？”的认知碰撞，从而顺理成章地选择肝脏研磨液（含过氧化氢酶）与过氧化氢溶液作为实验材料。学生在提供选择与弃选的理由时，辩证性思维既能得到充分地锤炼，也能更好地理解实验设计的科学性与严谨性，从根本上提高科学探究能力。

学生的认知是再学习的基石，探究能力的培养是提高社会适应能力的保障，教学的最终目标是要通过引导学生对知识的学习，提高其对未知事物的探究、发现和利用能力。教师在教学中，要立足于学生的认知，根据认知逻辑，顺着认知疑点，紧扣认知难点，创设认知冲突，引导学生分析、探究未知知识，以提高其应用新知识的能力。