情境教学在高中生物学课堂中的应用

2023-10-19张佳音梁婧梁小航郭成张华祯张念楠徐振军莫显红

赤峰学院学报·自然科学版 2023年9期

张佳音梁婧梁小航郭成张华祯张念楠徐振军莫显红

摘要：本文归纳总结情境教学在生物学课堂中的作用，提出情境教学用于“酶的作用和本质”课堂学习的实施策略并进行教学设计。结合“科学·技术·社会”栏目创设生活化情境导入新课，设计“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验探究酶的作用，利用教材中的示意图创设直观情境解释酶的作用机理，运用“问题·讨论”栏目中“关于酶本质的探索”创设科学史情境掌握酶的本质。

关键词：情境教学；高中生物学；酶；教学应用

中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2023）09-0111-04

以核心素养为宗旨是《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）的重要理念[1]。课程标准对高中生物学教学提出了新的要求，教师不仅要关注学科知识，更要培养学生的生命观念、科学思维、科学探究以及社会责任，即生物学科核心素养的四个方面。然而，如何转变教学策略，增強生物学教学的有效性，发展生物学科核心素养，成为教师的关注点。

情境教学是教师为实现教学目标，创设或营造与教学内容相适应的场景或氛围，以引起学生的情感体验，使学生快速理解和掌握知识，利于学生心理机能发展的一种教学方法[2]。情境教学可分为生活化、实验化、直观化、科学史等情境的教学，对高中生物学教学具有重要意义。高中生物学教材必修1和必修2的开篇都安排了“科学家访谈”栏目，体现了情境教学在生物学教学中的重要性，并且教材中的每节内容都以“问题探讨”“探究·实践”“思考·讨论”等情境创设的形式编排，进一步体现了情境教学的重要性。教师通过情境教学培养学生的知识迁移能力，促进生物学科核心素养的落实。在“问题探讨”中斯帕兰扎尼的探究实验、“问题·讨论”栏目中“关于酶本质的探索”“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验等，均是情境教学的良好素材。

1 情境教学在高中生物学课程学习中的作用

1.1 生活化情境在课程学习中的作用

生物学科是研究生命现象揭示生命活动规律的一门科学，要求学生把所学知识应用于生活，对生命现象进行剖析，培养学生科学实践和思维创新的能力[3]。例如在教材的“问题探讨”“科学·技术·社会”等栏目中，有许多专题与生命活动紧密联系，有助于学生形成物质与能量观。在“酶为生活添姿彩”专题中，以多酶片、含酶牙膏、加酶洗衣粉与普通洗衣粉等生活物品为例，叙述酶在生产、生活中的应用。

1.2 实验情境在课程学习中的作用

课程标准提高了对学生实验能力的要求[4]。将教材中的实验情境用于教学，增强课堂的活跃度，不仅使学生掌握了知识，还使学生的实验设计、分析问题的能力得到提升[5]。在“探究·实践”栏目中的“比较过氧化氢在不同条件下分解”这一实验，通过对比实验现象能够很好地体现酶的作用，加深学生对生命现象的记忆、深刻领悟自然科学的规律，增强科学探究能力。因此本文参考教材“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验并加以优化，创设实验情境，应用于课堂教学。

1.3 直观情境在课程学习中的作用

直观教学的教具是多样化的，教室的挂图、教材中的插图、幻灯片中的照片或视频等，都在于激发学生的兴趣，帮助学生理解所学知识[6]。在高中生物学科的知识体系中有很多微观且复杂的知识，教材中设置的插图化抽象为直观从而辅助学生理解这些晦涩难懂的知识。此外对于一些动态的生理过程，如呼吸作用、光合作用、酶能降低化学反应活化能的作用机理等，通过网络资源如视频、动画等教具将知识直观的呈现给学生，帮助学生理解和形成相应的概念[7]。运用教材“酶降低化学反应活化能示意图”和“汽车正常驶过高山与汽车通过隧道穿过高山”类比正常化学反应与有催化剂的化学反应的动画，帮助学生理解酶的作用机理，逐步培养学生的生物学科核心素养[8]。

1.4 科学史情境在课程学习中的作用

课程标准中提出应注重生物科学史的学习[9]。在新版教材的“生物科学史话”“思考·讨论”等栏目到科学家的探究情境，在“关于酶本质的探索”中讲述了巴斯德、李比希、毕希纳、萨姆纳等诸多科学家对于酶本质的探究历程[10]。在本文学习“酶的本质”时，利用教材中酶探究历程创设科学史情境，让学生亲身感悟到科学概念是在科学的发展下逐渐变化的，从而加深对“酶是由活细胞产生具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA”的理解[11]。

2 情境教学在“酶的作用和本质”的实施策略

2.1 创设生活情境，引入新课

从生活及教材入手，利用教材“科学·技术·社会”栏目的内容，在幻灯片展示加酶洗衣粉、生物酶牙膏、多酶片等日常生活用品的图片引入酶的话题，请学生谈论生活中接触过的酶并讲述对酶的了解。幻灯片播放视频：加酶洗衣粉与普通洗衣粉的清洗效果，请学生说出视频中观察到的现象及猜测引起这种现象的原因，针对课题“降低化学反应活化能的酶”，鼓励学生提出质疑，引出本节课的课题。

2.2 实验演示，探究“酶”的作用

本文将“比较过氧化氢在不同条件下分解”的实验，作为演示实验用于课堂教学的情境导入。该实验分为对照组和实验组，演示实验装置如图1所示。通过观察实验现象，记录相同时间内注射器活塞移动的位置，总结不同条件下过氧化氢的分解速率，分析“酶”的高效性。在课堂中教师进行实验演示，学生通过观察过氧化氢与香菇提取液、FeCl3溶液反应的现象进行思考，探究酶的作用。

2.3 利用示意图的直观情境，解释“酶”的作用

“酶能降低化学反应的活化能”是课程标准中的重要概念，通过“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验解释酶的本质外，还结合“酶降低化学反应活化能”的动画图，进行类比分析，让学生理解“降低活化能”的内涵。

教材中运用“基态”“活跃状态”等名词对“活化能”的解释较为抽象，因此教师通过绘制化学变化中能量坐标的曲线图，辅助解释从基态A点到活跃状态B点的能量差即为活化能[12]。此外，播放动画演示分子在常态、加热、加催化剂等不同条件下的活跃状态，明确酶和其他催化剂的作用原理，并根据教材文字叙述结合示意图，将化学反应比作驾车翻越一座山，进一步理解“活化能”的概念[13]。

2.4 运用科学史情境，揭示“酶”的本质

通过教材了解我国四千年前酿酒技术以及在《康熙字典》中对“酶”的收录和解释，引出“酶”的概念。利用“问题探讨”中斯帕兰扎尼在研究鹰的消化作用实验以及1835年施旺对胃蛋白酶的发现，引入科学家对酶的探究历程[14]。请学生自行阅读教材“思考·讨论”栏目，了解巴斯德、李比希、毕希纳、萨姆纳等人对酶的探究实验，并结合“思考·讨论”中设置的讨论题，以小组合作的方式，将几位科学家观点之间的逻辑关系构建成联系图，概括“酶”的本质。

3 情境教學设计

3.1 教材分析

本节课是人教版高中生物学教材必修1第5章第1节“降低化学反应活化能的酶”第1课时的内容，主要包括酶的作用和本质，该部分内容是学习细胞的能量“货币”ATP的基础。学生虽已学习了细胞的基本结构、细胞的物质输入和输出等知识，但对于生物体内部微观化学反应等知识还有待学习。

本节课用情境教学的方法贯穿整堂课。将日常生活用品导入新课，实验演示分析总结酶的作用并将细胞内的化学反应直观化，运用播放动画、文字叙述结合示意图等直观教学情境，进一步理解酶的作用原理。根据教材“关于酶本质的探索”创设科学史情境，结合讨论题组织学生小组合作，使学生建立“绝大多数酶是蛋白质”的重要概念。学生通过操作实验，观察并分析实验现象，建构科学概念。

3.2 学情分析

授课对象：高一学生。

知识情况：学生对催化剂的作用有一定了解，但对“酶”的相关知识了解不多，且不熟悉设计对照实验的基本原则。

3.2.1 教学目标

（1）通过对实验装置的介绍，学生能够思考分析出实验装置的原理，学生的科学思维得到锻炼，学会科学地看待实验。（2）通过对演示实验的观察、实验数据的比较、分析，总结出酶的作用，初步确立科学探究的基本思路和方法。（3）通过观看酶作用的动图和教材的示意图，并思考分析能量变化的曲线图，总结出活化能的概念、酶的作用原理，理解降低化学反应活化能的概念。（4）通过自学科学史、绘制科学家观点的联系图，学生能够认识酶的本质，提高学生自学能力，认同科学是在争论中不断前进，在探索中发展的观念。

3.2.2 教学内容

教学重点：探究“酶”的催化作用。教学难点：实验中控制变量的科学方法。教学方法：情境教学法。课前准备：准备实验材料装置、进行预实验、课件、视频。

教学过程：

（1）生活情境导入课题——细胞代谢需要酶

活动：幻灯片展示加酶洗衣粉、生物酶牙膏、多酶片等日常生活用品的图片。

教师：同学们都知道图片上的是什么吗？

学生：加酶洗衣粉、生物酶牙膏、多酶片。

教师：是的，这些生活用品中都含有一个共同的物质那就是——酶。这些酶都来源于生物，经过学习的积累，谁能说出在生物体内存在哪些化学反应？

学生：呼吸作用、光合作用。

活动：幻灯片列出呼吸作用、光合作用的表达式。

教师总结提出细胞代谢的概念：

教师：这些在细胞中每时每刻都进行着的许多化学反应称为细胞代谢。

教师：通过观察这些化学反应表达式，我们发现这些反应都有什么参与呢？它与细胞代谢有什么关系呢？

学生：酶，细胞代谢离不开酶的参与。

（2）实验演示，师生交流、合作探究——酶在细胞代谢中的作用

细胞在代谢过程中会产生废物，如过氧化氢，人体内的过氧化氢酶可以将其分解为水和氧气。为探究酶的作用，教师通过演示实验向同学展示。

教师在讲台出示第1组实验装置：左端20mL注射器装有2mL蒸馏水，右端20mL装有2mL的过氧化氢溶液，推动右侧活塞，请学生观察过氧化氢的分解情况。

学生：观察实验现象并说出反应无明显变化。

教师：提出可以尽快看到实验现象的方法。

学生：可以加入催化剂。

在教师邀请下，学生上台辅助教师演示实验：在将第1组实验作为对照组的基础上，2、3、4组装置的左端注射器分别抽取2mL热水、2mL FeCl3溶液、2mL香菇提取液，右端注射器都抽取2mL过氧化氢溶液。推动活塞观察现象。

教师：当学生观察到3组有少量气泡，4组有大量气泡时，提出问题：3、4组里的什么物质使过氧化氢分解？香菇提取液中可能含有什么物质？由此引出“酶”是生物催化剂，并介绍“酶促反应”和“底物”的概念。

教师：展示实验数据进行分析，学生观察各实验组注射器活塞移动的位置。

教师：提出问题，①通过1、2组描述的现象和表格的数据，说明什么？②3和4组都是未经加热的条件，仍出现了大量气泡，这是为什么？③对比3、4组实验的数据，发现4组的反应速率更快一些，为什么？为什么“酶”对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要？

设计意图：创设真实的实验演示情境，在课堂与学生一起围绕实验展开探究学习，有利于知识的串联整合，达到情境交融的教学效果。

（3）直观情境，揭示酶的作用原理

导入：酶能够催化底物的分解，那么酶作用原理是什么？在化学中加热能够加快化学反应进行，其原因是它能使底物获得能量，从常态转变为容易分解的活跃状态。请学生观看视频理解加热反应中能量的变化过程。

播放“加热能够促进过氧化氢反应的原理”视频，在视频中的结尾总结了活化能的定义。

活动：教师绘制加热状态下化学变化中的能量坐标曲线图。

教师：请同学在黑板上指出活化能是图中的哪段曲线，为什么？

学生：在曲线图中指出相应位置，并解释原因。

过渡：在了解加热条件下的反应变化后，对于无机催化剂Fe3+和有机催化剂过氧化氢酶这类催化剂是通过什么途径促进反应分解的？

活动：播放动画，演示分子在常态、加热、加催化剂等不同条件下的活跃状态，通过对比，学生初步理解酶等催化剂的作用原理。

教师：酶的作用原理是什么？

学生：酶能够降低反应所需要的能量。

活动：限时一分钟，请同学们阅读教材结合示意图，加深对“酶催化作用原理”的理解。

（4）自学科学史，领悟酶的本质

科学史导入：中国早在四千年前就已掌握酿酒技术，同时《康熙字典》中也对“酶”做了收录和解释。在1773年意大利科学家斯帕兰扎尼在研究鹰的消化作用实验时尚未知晓酶这一物质。1835年施旺发现了胃蛋白酶，1857年巴斯德发现酿酒的发酵是酵母菌存在所致，没有活细胞参与。但是李比希认为引起发酵的是酵母菌细胞中的物质。毕希纳从细胞中获取了含有酶的提取液，萨姆纳用多种方法证明脲酶是蛋白质。20世纪80年代切赫和奥特曼发现少数RNA也具有生物催化功能。那么“酶”到底是什么物质？请同学通过填写教材中的图表并进行思考。

教师搭建支架，给出问题进行提示：一是“酶”产生的部位；二是“酶”的作用；三是“酶”的化学本质。

学生：思考分析、总结得出：“酶”是活细胞产生的一类生物催化剂，大多数酶是蛋白质少数是RNA。

设计意图：通过自学科学史、绘制科学家观点的联系图，提高学生自学能力，认识酶的本质，在了解科学家的探究历程后，认同科学家们的质疑精神——科学是在争论中不断前进，探索发展的。

4 总结与反思

本文有关“酶的作用和本质”的应用设计，创设了丰富的情境使教学更加鲜活。通过观看加酶洗衣粉与普通洗衣粉洗涤效果的视频和“催化剂作用原理”视频、组织学生进行实验操作，并通过科学史阅读及分析总结，辅助学生建立有关酶的概念。本文优化了教材中关于“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的探究性实验，将其作为演示实验在课堂中学习酶的作用，效果直观明显，巧设问题串牵引学生思考并深入探究。通过对实验现象及数据的分析，得出“酶”的作用。在情境教学的应用研究中，总结了情境教学在生物学课堂中的作用，提出情境教学用于“酶的作用和本質”课堂学习的实施策略并进行教学设计，可为一线教师提供参考。

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参考文献：

〔1〕唐远.基于深度教学培养学生核心素养的教学策略探讨[J].中学生物学，2022，38（11）：19-20，23.

〔2〕许枫.浅谈初中英语课的情境教学[J].教育评论，2000，18（05）：63.

〔3〕张月晓.高中生物学插图教学的现状调查与策略优化研究[D].曲阜：曲阜师范大学，2011.

〔4〕教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

〔5〕李培青，郭军英.指向学科核心素养的实验教学——以“探究酶的特性”为例[J].实验教学与仪器，2022，39（02）：22-23.

〔6〕廖增辉.普通高中生物课堂直观教学的设计与应用研究[D].重庆：重庆三峡学院，2017.

〔7〕孟金华.情境教学法在高中生物教学中的应用与实践研究[D].重庆：西南大学，2022.

〔8〕李向红.浅谈类比模型在中学生物学教学中的应用——以“酶的作用机理”为例[J].中学生物教学，2019，35（20）：45-47.

〔9〕汪虹君，李莹，郭冬琴.应用生物科学史进行定义性概念的教学设计——以酶为例[J].电脑校园，2020，66（06）：3037-3039.

〔10〕聂晓倩，张锋.基于科学史的中学生物学元探究教学——以“酶本质的探索”为例[J].中学生物学，2021，37（05）：10-12.