挖掘教材实验背后的科学思维

朱满员

摘要 围绕酶的实验设计中反应类型和检测方法的选择及其本质与原理的剖析，充分运用了归纳演绎、评价比较、综合分析、批判反思等科学思维，建构概念，提炼观念，落实了生物学学科核心素养的培养。

关键词  科学思维酶活性实验设计

中图分类号 G633.91              文献标志码 B

文件编号：1003-7586（2023）03-0081-03

科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。主要指归纳演绎能力、问题求解能力、决策力和批判力等，也是学生面对未来需要通过学科学习而逐步形成的关键能力。科学思维能力只能在高阶思维过程中得到培养，需要情境、载体来落实，高中浙科版生物学教材中与酶有关的实验——探究酶的高效性、探究酶的专一性、探究温度与PH对酶活性的影响，以及验证酶的催化作用，酶的化学本质和酶的固定化等，其因复杂多变的情境，需要运用演绎推理、比较选择、综合分析、评价批判等能力，是科学思维得以产生和发展的完美载体。

1  归纳演绎法的体现

归纳和演绎是科学研究中运用最为广泛的逻辑思维方法。归纳是从个别到一般的认识过程，而演绎则是从一般到个别的推理过程，演绎的一般知识往往来源于经验的归纳。如在酶的发现史教学中，萨姆纳首次提纯并证明酶是一种蛋白质，后继又提纯了其他的酶，并证实都是蛋白质。所以酶曾经的定义是“活细胞产生的具有催化作用的蛋白质”。后因核酶的发现，酶的定义修改为“由活细胞产生的一类生物催化剂，大多数酶是蛋白质”。这是基于归纳法得出的结论。既然大多数酶是蛋白质，那么酶应具有蛋白质的所有特性：蛋白质具有多样性，酶也应有多样性；蛋白质有专一性，酶同样应有专一性；蛋白质的作用方式就是酶的作用机理；蛋白质结构易受温度、 PH 值及某些金属离子的影响，酶也应亦然。由蛋白质的一般特性推导出酶的特性，这就是演绎法在科学探究中的应用。

日常生活中的所谓“经验总结”及“据经验判断”就是一种归纳法与演绎法的“本土化”，人们常运用而不自知，这就需要教师来“捅破窗户纸”，酶的教学就是这个契机，而不是等到孟德尔定律才开始让学生了解“演绎推理法”。而且，越早掌握这种思维方法，学生就能越早受益，因为演绎推理保证推理有效的依据并不在于它的内容，而在于它的形式，即它对人的思维保持严密性、一贯性有着不可替代的校正作用。

2 比较评价权衡的运用

“极好”与“极差”是很容易选择的，但在现实中常需要做的是“两害相权或两益相权”。深入理解是理性决策的前提，在有限的时间内理解信息并做出决策，是学生面对信息时代所必需的“心智技能”。在验证酶特性的多种实验方案中，培养学生的权衡决策能力是其中的重点之一。如验证酶专一性的实验设计中就涉及实验方案的选择（表1）。学生需要分析表中2个方案哪个可行还是都可行？为什么？若实验目的改为“探究酶专一性”则实验方案是否相同？如果实验目的再改为“验证淀粉酶具有专一性”呢？

这里的思考难点是：需要先比较“验证酶专一性”“探究酶专一性”以及“探究淀粉酶的专一性”之间的区别，再权衡实验目的与方案的匹配度。不同的实验方案服务于不同的实验目的，验证酶专一性，是基于酶专一性的定义，即一种酶只能催化一种底物或少数几种相似底物的反应。方案1中通过证实淀粉酶只能分解淀粉不能分解蔗糖，即淀粉酶具有专一性，从而不完全归纳出酶具有专一性；而方案2则通过证明淀粉酶能分解淀粉，而以蔗糖酶为代表的其他酶不行，从另一角度不完全归纳了酶具专一性。因此，“验证酶专一性”时，方案1、2都可行。由此可得，要验证淀粉酶具有专一性，只能用方案1而不能用方案2，因为方案2没有证明淀粉酶不能分解其他物质。如果将实验目的改为“探究酶的专一性”，原则上应将细胞中所有的酶都做一遍才能证明酶具专一性——完全归纳。但这是不可能的任务，只能不完全归纳地选两种酶——淀粉酶、蔗糖酶来演绎探究。即在这里，“探究酶专一性”等同于“验证酶专一性”。正是基于此，教材中包括空白对照，共设置6支试管，将方案1与方案2进行合并。

此外，探究酶专一性的实验设计还涉及检测试剂的选择：从检测的底层逻辑考虑，本实验可选的检测试剂有碘液与本尼迪特试剂，是“二选一”还是两者都可？不行理由是什么？教学意图是：①阐明检测方法的底层逻辑，提升学生分析与解决问题的能力。②讨论这2种检测试剂在不同方案中的适用性，着重分析“落选”理由。③增加严谨性。本尼迪特试剂适用的一个前提是反应物不具还原性，设置空白对照的必要性就不言自明。若更严谨起见，还需要检测酶溶液的还原性，甚至检测淀粉、蔗糖及相应酶的纯度，以防出现假阳性。

在后续“探究PH或温度对酶活性影响”的实验设计中，同样涉及实验方案、检测方法与试剂的选择。比较权衡能力的培养，需要像分析实验方案与检测方法一样，既要引导学生去分析选择的理由，也要分析不选的理由。有时是“长板”决定了选择权重，有时却是“短板”造成了“一票否决”。深入理解，多方权衡才能作出相对正确的选择，这也是综合素养中高质量地认识问题、分析问题、解决问题的重要体现。

3 质疑与批判的养成

科學思维的基本特点是以实证为判别尺度、以逻辑作论辩的武器、以怀疑作审视的出发点。科学思维不仅是对外的，即认识世界的方式，科学思维还是对内的，即对自己的认知。所以，没有习惯于对自己认知的质疑与批判，科学思维的起点就不复存在，严谨、务实、谦逊的求知态度，也是“毛将焉附”。酶的本质与特性的探究过程本身，就是学生思考与质疑、分析与批判的对象。如验证酶特性的实验设计教学，从依据“酶绝大多数是蛋白质”推理出“酶具有专一性”“温度或PH值会影响酶的活性”的特点；依据酶与无机催化剂的作用机理比较，即“无机催化剂通过与底物反应让一个活化能高的慢反应变成了若干个活化能低的快反应来加快反应速率的，而酶与底物结合后，不仅活化了底物分子还大大增加了底物分子间的有效碰撞，因此酶的催化效率会比无机催化剂高很多”推理出酶具高效性。可再合理的推理也仅是一种推测，一种推测要上升为科学观点，不仅要求推理过程是合逻辑的，还要有可靠的实验证据来支持。所以教材便安排“探究酶的专一性”“探究酶催化的高效性”和“探究 PH 对过氧化氢酶的影响”的探究活动。崇尚“实证”，且是基于生物学学科认同的研究方法，可预测、可量化、可重复的实证，使得科学思维有别于其他思维。理解教材的编排意图以及实证之于科学思维的意义，依托“从依据推理出观点，再为观点寻求实证”的论证模式设计教学流程，教师就会有意识地去挖掘实验背后的批判意识，即与其等别人挑刺，还不如自行批判，而不仅仅是跟着试题与教辅材料走。

批判的意识与能力就是在对知识的批判性认识和理解过程中形成的，因而实验教学是养成质疑与批判习惯的最佳途径。毕竟，有质疑才会去追求科学的实证，帮助学生去“亲历”知识的发现与建构过程，本身也是深度学习过程。

4 教学感悟

酶实验设计专题是在浙科版（2019版）必修一教材的基础上又拓展了“验证酶是催化剂”“酶的固定化”等实验，内容多，综合性强，基本作为酶的专题复习之用。而对酶本质与特性探究过程的“复盘”与“泡发”不仅帮助学生完善酶的知识体系，建构关于酶概念的完整认知，还实现了从概念到观念，从能力到素养的升迁。

4.1从概念到观念

某种概念的形成既需要比较与分类、归纳与演绎，也可能是分析与综合、抽象与概括的结果。一个观念的形成同理也需要许许多多概念的积累。本专题的重要概念当然是“酶是生物催化剂”，下层概念是“绝大多数酶是蛋白质”“酶具有专一性和高效性”以及“酶的催化功能受多种条件的影响”。这些概念都是在解决一系列实验设计的过程中，逐步概括形成的。但止步于此，学生较难去考虑酶为何具有这些特性。如“酶的催化功能受多种条件（PH、温度、辅酶等）的影响”，此特性怎么看都象是酶的“缺点”。但这真的是酶的“设计缺陷”吗？恰恰是酶易受内外多种因素的影响，加之细胞中的一切代谢反应都置于酶的催化之下，调节酶的数量与活性便是细胞调节其生命活动的“不二法门。也就是说，是自然界选择了酶易受多种因素影响的特点，使得细胞的代谢能“随境应变”。独特的进化视角使酶的“缺点”变成了“优点”。著名的生物学家杜布赞斯基曾说过，若无进化之光，生物学毫无道理。可见，进化论既是一种认知结论，也是一种认知方式，还是生物学学科独有的、最有价值的生命观念。让学生学会运用进化论的观点解释生命现象，不仅是科学思维、深度学习的重要体现，也是形成生命观念的重要途径。

在解释酶特性及辅酶存在意义中体现了进化与适应观、生命的整体观。除此之外，还运用了跨学科的观念：①结构与功能观。如酶的催化功能取决于酶的空间结构。②比较与权衡观。如有关酶特性的实验设计都是在不同实验方案、不同反应类型及不同的检测方法之间进行比较与权衡，从而选择最优方案。酶的固定化方案也是在不同介质、不同固定方法的优点与缺点之间比较出最优解。③底层逻辑观。所谓底层逻辑，就是从事物的底层、本质出发，寻找解决问题路径的思维方法。反应检测试剂的选择、固定化酶方法的选择都是从其底层逻辑出发来确定思考方向的。这些跨学科观念的运用也有助于学科核心素养的落实，更是深度学习的标志。

4.2从能力到素养

能解决某个特定问题，是能力。能将解特定的问题的能力应用于生产、生活、教学等多领域，便是素养。素养可以看作是学识与能力的迁移，一旦习得终身受益。在“酶是生物催化剂”的教学中，学生动手实验的实操能力固然重要，而且在科学发展的早期，生物学的许多理论都源于观察与实验。但随着科学理论的丰富，现在更多的是理论去指导观察，观察无不渗透着理论。所以，让高中生学会对实验背后的原理进行综合分析、比较权衡、质疑批判，更能涵养与丰富学生的科学素养。酶实验设计的教学从进化论到跨学科观念的应用，及许多的“为什么可以”“为什么不可以”“更好的方案是什么”等一系列问题的讨论都是培养科学思维能力的“着力点”。所以，能力的培养、素养的养成，都离不开教师一课一言的渗透与默化。

总之，核心素养的形成是一个隐性而长期的过程，就需要教师挖掘教材中的高阶思维过程，才能深刻理解生命的本质，孕育核心素养的萌芽与发展。酶的实验设计教学凸显了以质疑为思考视角、用逻辑作为论辩准绳、实证作为判断尺度的科学思维，这是人类最高级的认知模式，当模式变成思维的范式与习惯，便为我们的头脑装入了一套“操作系统”，进而发展为伴其一生的科学素养。

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