基于“知识迁移”的跨学科教学设计——以“探究pH对酶活性的影响”为例

黄茗暄

华南师范大学生命科学学院(510631)

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》提出教师在教学实施过程中应注意学科之间的联系,研究生物学与物理、化学等自然科学学科之间的关系,渗透数学、技术、工程学等学科理念[1],立足于学生已有的学科知识基础和不同学科之间的知识交集,开展有意义的跨学科教学活动,有助于学生修正并完善前科学概念,正确理解科学本质并建立科学观点。

实验探究是自然科学学科发展的基石。物理、化学等自然科学学科中存在许多与生物学实验相通的实验原理和实验方法,为生物学实验的开展和优化创造了条件;数学、技术、工程学、信息科学提高了生物学实验的精准度并赋予了其更高的创造价值。生物学实验课程是进行跨学科资源优势整合的优良教学素材。本文以“探究pH对酶活性的影响”为例,采用情境教学、问题驱动、跨学科、建模教学等策略对本节实验课进行创新设计,以期为教师开展跨学科实验教学提供参考。

1 教学背景分析

1.1 教材分析

本课选自人教版高中生物必修1第5章第1节“酶的特性”，教材中设置了“影响酶活性条件”的探究性实验，旨在加深学生对课标概念“酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响”的理解，同时深化对酶的本质的认识，建立结构与功能观，也为后续呼吸、光合作用的学习奠定基础。

教材中关于“探究pH对酶活性影响”的实验仅对酶活性进行了定性测定，学生无法准确理解教材中酶活性随pH变化的抛物线图。教材也提出了“进一步探究”的定量实验建议，教师以此为契机，开展跨学科教学实践，有助于发展学生迁移运用多学科知识、解决问题的能力。

1.2 学情分析

本课的授课对象为高一年级学生,他们已具备“过氧化氢分解制取氧气”等化学知识基础、“大气压的原理与应用”等物理知识基础,并且通过初中生物学“比较H2O2在不同条件下的分解”实验的学习初步掌握了控制变量的科学方法,具备一定的推理分析、观察认知、实验设计的能力,但是缺乏由定性实验向定量实验转变的科学思维训练和迁移运用多学科知识解决问题的实践经验。

2 教学目标

2.1 生命观念

通过胃蛋白酶分解蛋白块的小实验和“绝大多数酶的本质是蛋白质”的概念推测pH会对酶活性造成影响,更全面地建立酶的“结构和功能观”。

2.2 科学思维

通过发现问题,应用多学科知识改进实验方法,突破学科限制,提升创造性思维能力;通过描述并分析实验数据,得出pH对酶活性影响的曲线图,建构数学模型,提升模型构建能力。

2.3 科学探究

通过设计实验、改进实验装置解决问题,巩固控制自变量、排除无关变量、检测因变量的实验方法。

2.4 社会责任

通过理解“复方胃蛋白酶颗粒”说明书中的注意事项,关注用药科学,树立科学用药的观念,养成健康的生活习惯。

3 教学重难点

3.1 教学重点

掌握pH对酶活性影响的一般规律。

3.2 教学难点

定性实验向定量实验的转变;实验装置的设计与改进。

4 教学设计

在本节课中,教师通过带领学生重走科学家的探索之路,采用问题解决式探究法,引导学生迁移运用多学科知识,逐步优化实验方案。教学流程如图1。

图1 教学流程图

4.1 创设真实情境,重走科学探索路

课堂活动:①展示科学史材料:1 835年,德国科学家施旺发现胃腺分泌物中的一种物质与盐酸混合后,对肉类的分解能力远远大于盐酸单独作用,这种物质就是胃蛋白酶。②现场实验1:按表1,向1号试管中依次加入1个1 cm3的蛋白块、1 mL 0.01 mol/L盐酸、1 mL 20%胃蛋白酶液(盐酸溶解),向2号试管加入等量的蛋白块、盐酸以及1 mL蒸馏水,记录蛋白块消失的时间。③现场实验2:按表1,向3号试管中,加入1个1 cm3蛋白块、1 mL蒸馏水以及1 mL 20%胃蛋白酶液(蒸馏水溶解),不加入盐酸,记录蛋白块消失的时间。④提出问题:观察实验1的结果,说明了什么?对比试管1和试管3,思考为什么试管3中加入了胃蛋白酶,蛋白块没有被分解,你能作出什么假设?如何对假设进行验证?⑤进一步探究:按表2,将胃蛋白酶置于不同pH的环境中,记录蛋白块消失的时间。

表1 实验1、2步骤

表2 不同pH下胃蛋白酶的活性

设计意图:教师重视科学史的讲解,不仅能培养学生严谨求实的科学态度,也能激发学生对科学研究的兴趣。教师在课堂上还原科学家的探究过程,带领学生进入“真情境”,引导学生亲历科学家般的探究,主动建构概念。实验1是施旺实验的简化版,通过对比试管1、2的现象,学生能更为直观地认识到酶高效的催化作用;基于施旺的实验基础,笔者设计了实验3。通过对比试管1、3的现象,结合酶的本质概念,学生作出假设:酶的活性会受到环境酸碱度的影响,并在教师的引导下进行探究。

4.2 问题驱动教学,跨学科迁移应用

通过重走施旺的探索之路并进行进一步探究,学生已经初步认识到pH会对胃蛋白酶的活性造成影响。但是否这是酶的一般特性呢?严谨的科学结论需要多个证据支撑,教师引导学生进入“探究pH对过氧化氢酶活性影响”的实验情境,以问题驱动教学,启发学生融合多学科知识解决问题,改进实验。

课堂活动:按照人教版教材第82～83页的实验方法,学生分组进行实验。

问题1:你能得到什么实验结论?如何改进实验?

采用教材中的实验建议进行实验,学生可以得出结论:过氧化氢酶在过酸过碱的环境中会失去活性,但是无法理解教材第84页抽象的酶活性变化曲线图。学生分组讨论,设置多个不同的pH梯度,观察实验现象,并记录。可以用“+”表示产生气泡的量;“-”表示无现象,步骤参照表3。

表3 不同pH梯度酶活性大小观察

问题2:哪支试管中过氧化氢酶的活性最高?实验过程中你遇到了什么问题?

学生在实验过程中不难发现以气泡的生成速率或卫生香的复燃情况作为酶活性大小的观察指标存在许多问题:①酶促反应速率过快,试管2、3、4的气泡生成速率不易比较观察;②卫生香的复燃情况不明显;③观察指标主观性强,不同组员判断最高活性试管编号不一致。

问题3:是否有更为准确的方法测定过氧化氢酶活性的大小?

教师加以引导,学生很容易将过氧化氢酶催化、过氧化氢分解的实验与9年级上册化学中“过氧化氢分解制取氧气”的实验联系起来,该实验的实验装置如图2,用MnO2作为催化剂催化过氧化氢分解,用排水集气法(向上排空气法)收集氧气。是否可以通过改进该装置对过氧化氢酶的活性进行定量测定呢?学生提出可以通过同一时间内不同pH环境中过氧化氢分解产生氧气的体积来表示过氧化氢酶的活性,并结合过氧化氢酶实验的实际情况对装置提出改进方案(见表4),改进后的装置如图3。

图2 化学中分解过氧化氢制取氧气的装置

表4 过氧化氢分解制取氧气实验装置的改进方案

学生根据方案对装置进行改进,分组进行实验,读取并记录实验数据,并以pH为横坐标﹑以量筒内排开水的体积V为纵坐标绘制曲线图,组间交流实验结果。

图3 改进实验装置

问题4:组间实验结果是否一致?你认为是什么因素导致实验结果不一致呢?

学生通过小组间的讨论与分析,得出由于不同组员控制分液漏斗活塞开关的时间不一致,导致酶促反应的反应时间不同,所以实验结果出现了偏差。

问题5:如何实现将反应酶液同时注入5支试管中?如何控制酶促反应同时发生和停止?

教师播放一个经典的物理小实验视频:在瓶子中装足量水,盖紧瓶盖,在液面下的瓶身处扎孔,水不会从孔中流出,松开瓶盖,水才从孔中流出。该实验利用的是经典的大气压原理。学生受其启发,进行学科知识的迁移与应用,与教师共同合作设计方案、实施方案,对实验装置进行再改进,如图4～5。松开各试管上端止水夹(图4～5中的分止水夹),猪肝研磨液不会注入各试管中,只有松开装置最上端的止水夹(图4～5中的总止水夹),猪肝研磨液才会注入各试管中,保证各组实验同时展开。学生可以通过观察并记录水槽中倒置的量筒内排开水的体积,得到实验数据,绘制pH随酶活性变化的曲线图。通过对数学模型的描述与分析,得出实验结论:“在适宜的pH条件下,酶的活性最高,pH偏高或者偏低酶活性都会明显降低。”

设计意图:“探究pH对过氧化氢酶活性的影响”实验为假说“pH会影响酶的活性”提供了又一有力的实验证据。学生通过亲自动手实验、改进方案、绘制曲线图,建构数学模型,突破了本节课的重难点;教师以问题连续体的形式,引导学生解决新问题,不断完善实验方案,不仅加深了学生对酶的本质的认识与理解,帮助学生自主建构了“酶的活性受pH影响”的概念,也让学生在这一过程中体会到科学研究的严谨性,锻炼了学生科学探究的基本技能和勇于质疑、勇于创新的科学思维。

图4 再改进实验装置(左视图)

图5 再改进实验装置的发生装置(正视图)

4.3 联系生活实际,升华知识内容

课堂活动:①教师总结,对每组学生的课堂表现予以评价,肯定学生在实验过程中提出的问题及提供的解决方案。②提供资料:“复方胃蛋白酶颗粒”的说明书,提示学生关注“注意事项”一栏中:“本品不宜与抗酸性药物同服,在碱性环境中活性降低。”提问原因,巩固概念。

设计意图:“复方胃蛋白酶颗粒”说明书与课堂导入部分施旺的胃蛋白酶实验相呼应,体现教学的一体化思想。引导学生关注用药科学,有助于学生树立科学用药的观念,养成健康的生活习惯,把课本知识与学生的生活实际联系起来,体现科学对生活的指导作用。

5 教学总结

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》倡导开展探究性学习活动和跨学科实践活动,在本课教学中,教师带领学生开展实验探究并尝试突破学科限制对实验进行改进创新。在跨学科教学过程中,教师要注意对其他学科知识的讲解要有的放矢,在引导学生迁移应用其他学科知识时要特别注意启发性材料或问题是否有针对性,避免出现“启而不发”“问而无答”的现象。本课将与其他学科相关的启发性材料以实物和视频的形式提供给学生,如:展示化学中过氧化氢分解制取氧气的装置,用以启发学生可以改进此装置对过氧化氢酶的活性进行定量测定;播放物理中大气压的实验视频,用以启发学生可以用止水夹组成一个多开关控制的实验装置,实现同一时间反应;以及让学生尝试以数学图像的形式表示数据并对图像进行描述与分析,感受生物学与数学的相互渗透。在实验教学中渗透跨学科思想,有助于锻炼学生的学科知识迁移能力和综合探究能力。学生在跨学科学习活动中学会用综合的思路和方法解决现实问题,对学生的未来发展具有较大价值。