挖掘科学本质的探究实验教学实践——以“影响酶活性的条件”的实验教学为例

福建 黄玉贤 安徽 吴志强

美国教育家施密特和罗克卡特认为“科学除了事实、原理、定律、理论和假说等内容外，还包括有观察、实验、深思、想象、预言以及获得知识的其他手段等特殊的态度和感觉”。中学生物科学教育不仅要让学生获得系统的科学知识，更主要的是让学生形成关于自然的基本观点，获得探索自然规律的方法，同时培养学生的创新能力和科学精神，提升学科核心素养。本文以“影响酶活性的条件”的探究实验教学为例，尝试对科学本质的探究实验教学进行摸索，以期为广大读者提供教学参考。

一、在提出探究问题中挖掘科学本质

科学探究的本质之一就是崇尚并形成科学思维的习惯，这种习惯能够发现现实世界中的生物学问题。因此，引导学生对特定的生物学现象进行观察并提出有价值的问题就显得至关重要。

在学习“影响酶活性的条件”实验时，为了更好地帮助学生提出有价值的探究问题，教师先列举出了一些与“影响酶活性的条件”有关的生活现象和生物学知识：在使用加酶洗衣粉洗衣服时，为什么用温水浸泡后效果更佳？进入冬眠的动物体内的细胞代谢为什么极为缓慢？人们在发高烧时，为什么常常不思饮食？学生在对这些现象进行分析后，可能会提出一些值得研究的问题：①温度是如何影响酶的作用效果的?②溶液的酸碱度是否也会影响酶的作用效果？③在学习“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验时，实验开始之前，教师将肝脏研磨液放在冰箱里，为什么不会影响实验效果？

在追寻科学本质的道路上，学生可能会提出很多探究问题。教师要结合实验室的现有条件和学生现有的知识基础等因素，对学生提出的问题进行论证，从而确定开展探究活动的课题。基于绝大多数酶的本质是蛋白质、酶具有高效性和专一性的特性以及对“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验的掌握和一些生活经验，学生能够较顺利地确定后续开展的探究实验，最后决定研究的课题是温度和pH 对酶活性的影响。

实验是人们开展的具有创造性的活动。在观察中提出问题是自然科学的基石，也是自然科学区别于其他学科的一个重要特征。所以，教师必须要有意识地培养学生发现问题的能力，并力图引导学生通过设计实验找出事物之间的关系，寻求问题的答案。

二、在完善探究方案中挖掘科学本质

通过实验来研究事物，特别是通过精确的对照实验来探究问题，是自然科学的突出特征，这也常被看作是科学探究的又一本质。因此，在科学探究不同的问题时，必须设计精确的对照实验来寻找问题的答案。

在“影响酶活性的条件”实验设计阶段，教师可以先引导两组学生根据教材给出的材料用具，分别就“探究温度对酶活性的影响”和“探究pH 对酶活性的影响”初步设计出探究方案。学生设计的部分探究方案如下。

方案1：选取肝脏研磨液、过氧化氢溶液，检验二者在沸水、50℃温水和冰水这3 种不同温度的溶液环境下产生气泡的情况；

方案2：选取淀粉酶、淀粉溶液，并用碘液检验在沸水、50℃温水和冰水这3 种不同温度的溶液环境下淀粉酶对淀粉的分解情况；

方案3：选取淀粉酶、淀粉溶液，并用斐林试剂检验淀粉溶液在沸水、50℃温水和冰水这3 种不同温度的溶液环境下，还原糖的生成情况；

方案4：选取肝脏研磨液、过氧化氢溶液，分别检验二者在加入HCl、蒸馏水和NaOH这3 种不同酸碱度的溶液后产生气泡的情况；

方案5：选取淀粉酶、淀粉溶液，并用碘液检验在加入HCl、蒸馏水和NaOH这3 种不同酸碱度的溶液后淀粉酶对淀粉的分解情况；

方案6：选取淀粉酶、淀粉溶液，并用斐林试剂分别检验在加入HCl、蒸馏水和NaOH 这3 种不同酸碱度的溶液后淀粉溶液中还原糖的生成情况。

其中“探究温度对酶活性的影响”实验方案是方案1、方案2、方案3。探究“pH 对酶活性的影响”方案是方案4、方案5、方案6。教师继续引导学生围绕这些方案进行讨论并完善，部分学生在讨论过程中发现教材在“材料用具”的最后有这样一段内容“建议用淀粉酶探究温度对酶活性的影响，用过氧化氢酶探究pH 对酶活性的影响”。于是学生们围绕方案1、方案5、方案6 为什么不能实施这一焦点展开讨论。其中某小组认为，材料中提供了两种酶，一种用于探究温度对酶活性的影响，另一种用于探究pH 对酶活性的影响，所以方案5 和方案6 是可行的；另一组认为，在“比较过氧化氢酶在不同条件下的分解”实验中已知“加热也会促使过氧化氢发生分解”，所以方案1 的设计缺乏说服力。

本次实验的推理过程比较简单，重点在于养成实验探究意识，为后续探究性实验的开展奠定良好的基础。科学探究实验是通过人类的思维、想象创造出来的，科学探究过程的本质是创造性的过程。综上，学生在实验方案设计的过程中，严谨的推理和总结都是必不可少的，如何从所得到的数据推论出结果，是每位学生必须掌握的思维方式，也是挖掘科学本质的必经途径。

三、在交流反思中挖掘科学本质

教育的根本意义在于对人的全面理解和全面培养。善于交流与反思是教师良好心理素质的体现，更能帮助学生深刻地理解科学探究的本质。

在“影响酶活性的条件”实验结束后，围绕实验结果展开的讨论、总结与评价不仅可以激发学生的积极性，且能让学生明白探究性实验的成功靠的不仅仅是结果的正确与否，还要考虑实验是否严谨规范、提出的问题是否属于真问题、假设是否合理、实验设计是否规范、推论过程是否符合常理、得出的结论是否与结果相符等。这些才是科学探究性实验的本质要求，因此，教师与学生之间的讨论与交流必不可少。

比如“为什么方案3 学生放在冰水中水浴的试管，滴加斐林试剂后却出现了砖红色沉淀？”这个问题成为学生在交流讨论中的焦点。通过激烈的讨论，最终学生发现不能用斐林试剂来检测结果，若用斐林试剂就要进行水浴加热，可是作为“探究温度对酶活性影响”实验，必须要控制好实验的自变量——温度，否则会干扰实验的结果。

科学探究实验本就是一个开放性的活动，教师要鼓励学生尽量多地提出问题、互相交流，而不需要对每一个问题进行评判。教师应鼓励学生大胆提出观点，鼓励学生将自己的观点与他人分享、讨论，充分发挥学生的主体性，促使学生主动学习和建构知识。这样既可以开阔学生的思路，又可以使学生之间取长补短、互相帮助、共同进步，还可以促使学生认识和领悟科学探究的本质，即在思考和争议中不断发展。

四、挖掘科学本质实验教学的思考

生物学是一门以实验为基础的自然科学。生物课程中的验证性实验，一般只要求学生懂得做实验的目的、掌握实验的原理、理解实验现象说明了什么问题，对于实验的设计、仪器药品的选用、实验步骤的确定、实验能否改进等问题都没有要求学生进一步思考与探索，这就导致学生在做实验的时候，不是从对问题的思考、研究、探索的角度出发，而是努力使实验步骤和结果与教材描述的相一致。本文提及的实验都是学生们通过自主探究、合作交流完成的。学生们在实验中积极性非常高，而且学生们在得到每一个新发现时都充满了成功的喜悦。所以，在探究性实验中，学生们通过思考发现问题并设计实验解决问题，不仅训练了学生分析问题和解决问题的能力，同时还转变了学生的学习方式，而且对弘扬人的主体性、能动性和独立性有十分重要的意义。

从课程目标的设置来看，探究可以让学生们自主地达成知识目标，在探究的过程中学得方法、发展能力，在探究中培养正确的情感、态度与价值观，形成良好的学科核心素养。本实验教学不仅让学生获得了影响酶活性因素的相关知识，在学生全程体验科学探究的一般过程（提出问题、作出假设、制订计划、实施计划、得出结论、表达交流）的基础上，还学习了科学探究的基本方法，培养了实事求是的科学态度，提高了进行科学探究的逻辑思维能力。

交流探究活动的过程和结果，在整个探究活动中占有极其重要的地位，对培养学生的反思、质疑能力，提高学生的思维深刻性十分重要，同时也是探究活动是否有效的重要标志之一。本探究中，教师引导学生对实验方案和实验结论展开充分的交流，提高了探究的有效性。通过交流提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的探究意识、合作精神、创新能力和科学精神，提升学生的学科核心素养。

生物作为一门科学学科，在实施教学的过程中，应该充分体现出科学的本质，在设计实验时，教师应当更多得按照科学探究的一般过程去组织学生开展实验，真正做到从生物探究实验的进行中探寻科学本质。