基于5E教学模式提升核心素养的“探究酶催化的高效性”实验

汪祝兵

摘 要：本文运用5E教学模式，通过探究实验、教材实验，引导学生积极动手动脑，归纳总结实验中各种变量的概念和实验设计原则，最后加以运用，全面提升了核心素养特别是科学思维和科学探究能力。

关键词：5E教学模式;核心素养;酶;高效性

一、5E教学模式简介

美国教育家Bybee首先提出了5E教学模式，其初衷是帮助学生构建科学概念，其组成内涵如下：

（一）引入：教师根据学生已有概念，创设情境，引发学生已有知识和情境之间产生认知冲突，是实现概念转变的重要策略，能激发学生的探究欲望。

（二）探究：教师不直接给出答案，而是提供给学生探究的机会，通过动手操作和动脑思考，建立联系，发现规律，促进概念转变。

（三）解释：学生根据引入和探究的活动结果，概括说明自己对于概念的理解，教师对概念的内涵给予进一步的补充，进而有助于学生深入理解概念。

（四）精致：教师提供新的情境，学生应用概念，在解决新的问题中获得更深刻的理解，达成对概念的拓展和建构。

（五）评价：教师评估每一位学生的理解水平，可以通过提问、纸笔测试和小组讨论等方式进行。教师更需要考查学生对于新概念的应用，例如：提出一些开放性问题来评价学生的理解和应用。

刘恩山教授课题组研究提出5E教学模式对我国学生提升核心素养也有重要作用，特别是其将探究作为其中的关键环节，要求学生学会观察、提出问题、分析问题、提出假设、设计实验、实施方案、交流讨论，这些活动有利于提升核心素养。

二、5E教学模式的实验活动

（一）实验引入

教学过程：教师进行了如下实验，三支试管分别加入5mL淀粉，5mL淀粉加上2滴稀硫酸，5mL淀粉加上2滴淀粉酶，放置在37℃恒温水浴锅中几小时后，但忘记标记试管，请大家确认对应关系？能够得出酶具有高效性的结论吗？经过大家的讨论分析，由于淀粉能够被催化剂分解，最浑浊的是淀粉溶液，最清澈的应该是淀粉加上淀粉酶。对于酶的高效性有人认为可以证明，也有同学认为不能证明。

教学目的：教材先用淀粉酶和淀粉完成酶的专一性实验，本人考虑到“探究酶的高效性”实验相对简单，但其对实验设计的原理和原则有很好的教育作用，因此调换了教材的教学顺序。为什么不用淀粉和淀粉酶探究酶的高效性呢？引发学生的思维冲突，且有利于后续探究实验的开展和实验的理性分析，便于学生理解不同的实验需要选择不同的材料。直接利用过氧化氢酶进行实验，学生无法理解选材的重要性。

（二）自主探究

教学过程：教师展示问题，淀粉酶和硫酸都可以催化淀粉分解，哪个的效率更高一些？有人说试管澄清度高就可以说明，但是大部分人觉得现象不够明显。引导提出关键问题：要证明酶的效率高，需要确定淀粉被分解得多。如何证明淀粉是否完全水解？如何证明催化剂反应前后化学性质不变？同学们积极思考讨论，教师适当引导，关键是确认3支试管是否有催化剂、淀粉和淀粉水解物，例如：要确定仅2号试管有酸性物质，1号和3号中性;淀粉、淀粉酶、淀粉水解产物可以分别用碘液、双缩脲试剂和本尼迪特試剂检测。经过引导和同学们激烈争论后，达成共识：先用玻璃棒分别蘸取3支试管中的一滴液体，利用pH试纸检测酸碱性。然后将试管液体平均分成3份，编号为1A、1B、1C、2A、2B、2C……分别加入碘液、双缩脲试剂和本尼迪特试剂进行检测，其结果为：（1）pH检测：2号明显酸性，1号和3号中性;（2）产物检测：1号大量红黄色沉淀，2号少量红黄色沉淀，3号没有反应;（3）淀粉检测：1号没有淀粉，2号和3号深蓝色且没有差异;（4）蛋白质检测：3支试管都没有紫色。此时引起争论，有同学认为酶已经参与反应了，有同学提出反对意见说硫酸反应后仍然存在，酶应该也存在，只是酶含量太少，检测不出来，建议用酶试剂直接检测，结果有淡紫色。教师鼓励同学们课后去查双缩脲试剂检测蛋白质的原理及优缺点。让同学们明白了双缩脲试剂检测蛋白质其颜色与蛋白质的含量、肽键的数目有关。

教学目的：教师不直接告诉同学们结果，而是鼓励大家利用已有知识进行探究，经过观察现象、提出问题、设计方案、实施方案、得出结论、交流总结，在探究中提升了实验操作、团队合作和创新能力。对于实验结果的预测和解释，特别是双缩脲试剂检测结果和预期不一致，大家能够科学地分析原因，查找证据并验证，是科学探究的重要组成部分。

（三）分析解释

教学过程：同学们根据1号和2号试管分析实验的自变量？因变量？无关变量？能得出酶具有高效性吗？教师适当引导后得出该实验自变量是催化剂的种类，因变量是淀粉分解的速率，无关变量有淀粉的含量、温度等。通过对自变量和无关变量的分析和设置得出对照实验中的对照组和实验组的概念，同时得出实验设计应该遵循的原则有单一变量原则、对照原则和平行重复原则。

教学目的：教师没有直接照本宣科地告诉学生实验中各种变量的概念，而是根据内容，请同学们分析得出概念，这有利于培养学生的科学思维，有利于学会并运用控制变量及实验设计的基本原则。分析几支试管反应得出淀粉酶含量低，很难检测出来，却能将淀粉完全分解，可以得出淀粉酶催化效率高于硫酸，也有利于形成生命观念。

（四）概念精致

教学过程：利用淀粉酶和硫酸也可以证明酶具有高效性，请同学们分析上述高效性实验的不足之处。一是实验现象不明显，二是反应时间过长。此时，教师安排同学们快速阅读“探究酶催化的高效性”活动，分析实验的相关变量和实验原则。同学们分组进行分析，得出自变量是催化剂的种类，因变量是H2O2的分解速率，检测指标是气泡产生的速率。实验中应该保证自变量用量一致，保证反应物用量一致，保证反应时间一致等。马上就有同学指出课本所用的无机催化剂是粉末状的MnO2，很难控制用量，因此实验将MnO2用FeCl3溶液代替，且催化剂用量都是两滴。

教学目的：该实验内容相对简单，如果直接让学生进行操作或者教师演示，可以得出实验结论，但不利于培养学生核心素养，特别是实验中涉及的相关变量的概念和实验设计原则，而让学生根据内容总结，发现课本实验的不足，进行适当调整，培养了批判性思维，更做到活学活用。也让学生明白了，实验目的不同选择的材料应该不同。

（五）总结评价

教学过程：教师提出问题高效性实验中试管里产生的氧气量一样多吗？如何验证？对于这个问题很多同学的第一反应是1号试管产生的氧气多，但很快有同学提出不同意见，认为一样多，因为2号试管产生气泡的时间更长。同学们反映只要把氧气收集起来，比较多少就可以了。此时教师介绍实验台设备：铁架台、试管架、具支试管、注射器等。带领大家提出关键问题：（1）如何控制H2O2、催化剂用量一致？（2）如何避免催化剂和H2O2提前接触？（3）如何保证实验同步？（4）如何收集氧气？大部分问题前面已经讨论，对于催化剂是直接滴加在试管里还是放在注射器里，大家有不同想法，最后大家觉得注射器里应该装的是液体，便于注射。气体收集就是利用气球，并固定在具支试管上。经过讨论和教师引导后设计了如下的改进实验装置：将试管夹固定在铁架台上，两侧各夹一支具支试管，分支侧绑定气球，试管口用试管塞塞紧，试管塞上插有注射器针头（图1）。最后完善实验步骤如下：（1）两支试管中分别滴加两滴催化剂;（2）注射器吸取等量H2O2;（3）将注射器针头插入试管塞，并塞紧试管塞;（4）同时注入H2O2，观察气泡产生和气球变化情况。结果几分钟后大部分小组的两边气球大小相同，个别小组由于气密性原因大小差别较大。

教学目的：对于学生的评价可以采用纸笔测试，小组讨论，概念图等形式开展，而本节的学习内容变量控制和实验原则，通过测试更多地是考查学生的记忆，没有灵活运用，而采用探究实验的方式，更能够考查学生对概念的掌握和理解。通过设计探究实验，培养了科学思维和科学探究，有利于形成生命观念特别是物质和能量观、局部和整体观、稳态与平衡观。

三、实验活动反思

“探究酶催化的高效性”实验以前的教学模式是直接让同学们完成实验，然后教师讲解实验中的相关内容，分析如何控制变量，最后得出实验设计的一般原则，学习了知识但是没有培养核心素养，且很多学生不理解教材中酶的高效性选择过氧化氢而不用淀粉为材料。而本文运用5E教学模式，改变课本实验安排，利用淀粉酶催化淀粉分解引入，引导同学们探究试管内的成分，通过分析实验总结出实验中相关变量的概念和实验设计原则，然后通过精致概念分析课本实验的一些不足加以修正，完成教材实验，这一过程加深了对于概念的认识。另外本文的另一创新是对于学生的评价是设计并完成探究实验，区别于传统的纸笔测试和概念图等，进一步考查了知识的灵活运用。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京.人民教育出版社，2018：1-88.

[2]刘欣颜，麦纪青，刘恩山.运用5E教学模式发展学生的核心素养：聚焦生物学核心素养的價值取向[J].教学导刊.2017（6）：48-53.

[3]方淳.“酶的催化效率”实验的几种不同改进方式[J].生物学通报.2014（3）：49-50.

本文为浙江省2017年规划课题“基于核心素养提升的高中生物实验教学研究”研究项目，课题编号为G1703601482。