基于探究性学习的高中生物学课堂教学——以“酶催化细胞的化学反应”为例

闫金玉

(上海市嘉定区中光高级中学 上海 201800)

《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》)指出,以探究为特点的教学不仅会直接影响核心素养中“科学思维”“科学探究”的落实,也会间接影响“生命观念”“社会责任”两个核心素养的达成。在课堂上合理运用探究性学习的教学方法,不仅可以培养学生学习的兴趣,还能帮助学生养成独立的思考习惯。下面以“酶催化细胞的化学反应”第一课时新授课为例,阐述探究性学习在高中生物学课堂中的应用。

1 教材分析和设计思路

本节内容选自沪科版高中生物学《必修1·分子与细胞》第四章第二节,是该节内容的第一课时,涉及酶的作用、本质和特性三个方面。本节内容建立在“蛋白质的结构与功能”和“细胞的结构”等相关知识的基础上,进一步阐释了酶是细胞内几乎所有化学反应不可缺少的物质,并为后面学习细胞呼吸、光合作用等内容奠定基础。

结合《课程标准》和教材,聚焦“酶能催化生化反应,大多数酶是蛋白质”的核心概念,教师以问题链的形式导入课堂,引导学生先通过问题情景构建探究学习的前概念“酶是活细胞产生的具有催化能力的生物大分子,绝大多数是蛋白质,少数是RNA”。在此基础上,学生在观察现象、提出问题、作出假设、设计实验、实施实验、分析实验结果、得出结论等过程中学习生物学知识。同时,在已有探究实验的基础上,教师对探究内容进行拓展培养学生的科学探究精神。最后教师以生活中常见的加酶洗衣粉为例,使学生将知识运用于生活,落实生物学学科核心素养。

2 教学目标

(1)通过阅读分析资料,阐明绝大多数酶的化学本质是蛋白质的事实,认同科学是在不断探索中前进的。

(2)观察“酶的催化作用”演示实验,比较对照组与实验组的实验现象,归纳概括酶的作用特点。分析实验设计思路,学习探究实验的设计方法。

(3)以图文结合的方式解释酶具有专一性的原理,建立结构与功能相适应的生命观,感悟酶的高效性和专一性对生命活动正常运行的重要意义。

(4)结合酶的特性相关知识,举例说明酶在生活中的应用。

3 教学过程

3.1 创设问题情境,激发学生思考

教师以“一秒钟我们能做什么”导入课堂,学生主动思考并回答:眨眼、呼吸等。接着,教师展示“人脑有100 亿个神经细胞,每日可记录8 600 万次信息,在1 秒钟之内,可产生10 万次化学反应”的资料,让学生直观地感受体内快速的化学反应。教师提出问题:为什么细胞可以进行如此快速的化学反应呢? 引发学生进一步的思考,从而引出酶的概念。基于此,教师提出问题串:酶是什么物质? 酶有什么作用? 酶在哪里产生? 以问题激发学生的求知欲。学生通过阅读教师任务单中呈现的关于酶本质的探究资料,给出酶的定义:酶是活细胞产生的具有催化能力的生物大分子,绝大多数是蛋白质,少数是RNA。

设计意图:学生要进行科学合理的实验探究,必须先掌握相关的知识。本环节中教师以问题吸引学生兴趣,激发学生的好奇心和求知欲。接着教师又通过问题链的形式层层递进,开阔学生的思维,让学生带着问题阅读资料,在快速提取信息的过程中建构酶的概念,为后续科学的实验探究储备了知识。

3.2 引导理论探究,锻炼学生思维

教师设问:具有催化作用的酶是否有特别之处呢? 教师利用实验探究的一般过程引导学生逐步认识酶的本质。

3.2.1 观察过氧化氢在常温下的分解

教师引导学生回忆H2O2分解的反应方程式并提问:如果把H2O2溶液倒在试管中,根据化学反应方程式会看到什么现象? 学生猜测会看到试管中有气泡产生。接着,教师演示常温下H2O2的分解反应,学生观察现象发现常温下H2O2几乎无气泡产生。教师追问:有没有什么方法可以加快H2O2的分解呢? 基于酶的前概念及初中在化学课上学过的无机催化剂的相关知识,学生说出酶和无机催化剂可以加快H2O2的分解。

3.2.2 提出问题

教师提问:在新鲜的动物肝脏中H2O2的水解酶较多,如何操作才能让这些酶从动物肝脏中释放出来呢? 学生回答:研磨。随后,教师呈现本节课所用到新鲜肝脏研磨液和无机催化剂FeCl3两种实验材料,引导学生提出问题:哪种条件下H2O2分解的速率更快?

3.2.3 作出假设

教师以选择题的形式展示问题“哪种条件下反应速率最快? A.加肝脏研磨液B.加氯化铁”,多数学生所作出的假设为加肝脏研磨液后H2O2分解的速率更快。

3.2.4 设计实验

教师提出问题:我们的假设是否正确,需要通过什么去验证? 学生回答:实验。教师展示第一份实验设计方案(表1),并提问:若新鲜的动物肝脏匀浆和FeCl3都能加快过氧化氢的分解,可以在试管中观察到何种现象? 学生利用已有知识回答出有气泡产生。教师追问:这种气泡是什么? 有什么作用? 学生通过分析、讨论问题,设计出本实验的两个观测指标,即气泡产生量和带火星的卫生香复燃后的火光亮度。

表1 各试管中加入的材料

在此基础上教师请学生找出实验设计方案的不妥之处,学生思考并回答:缺少对照组。教师引导学生认识到实验设计要遵循对照原则并请学生完善实验设计方案(表2)。

表2 各试管中加入的材料与结果记录表

3.2.5 实施实验

生物学教学不仅是教师讲解和演示的过程,也是师生交流、共同发展的互动过程。教师邀请一位学生协助完成“观察酶的催化作用”的演示实验,并由该学生走下讲台向其他学生展示实验结果,有效地避免了部分学生因坐在后排而错过观察实验现象的情况。同时,教师围绕所看到的实验现象与学生进行互动,引导学生感受实验的魅力。

3.2.6 分析实验结果

教师引导学生分析观察“酶的催化作用”的实验结果,并通过小组讨论以下问题:①图1 表示酶催化过氧化氢水解的化学反应,请指出A、B、C、D 分别代表什么? ②与A 试管相比,B 试管有大量气泡产生,这说明了什么? ③与A 试管相比,C 试管有气泡产生,这说明了什么? ④B 试管与C 试管相比,哪支试管中的反应速率快? 这又说明什么? ⑤尝试判断出图2 中的1、2、3 分别对应哪支试管中的实验结果,并说出判断理由。

图1 酶催化过氧化氢水解的化学反应

图2 不同试管产物浓度变化图

学生以小组为单位,通过对问题进行讨论分析,师生共同得出:过氧化氢酶的催化效率要比无机催化剂FeCl3的催化效率高,促进学生建构酶具有高效性的概念。

3.2.7 得出结论

教师引导学生根据实验现象及结果的分析,得出结论:酶催化的效率比无机催化剂高。

设计意图:生物学探究性实验需要学生具有一定的创新性思维模式,在实验过程中要不断地发现、解决并分析问题。教师以“常温下过氧化氢的分解”为情景,逐步引导学生主动思考,学生具备了很强的主动性后,就能够在探究实验的过程中积极思考、回答问题。除此之外,教师课堂上的演示实验由师生合作完成,可以让课堂效率在有效的师生互动中得以提高。当学生观察完演示实验现象后,由小组合作讨论分析实验结果和现象,教师需要对学生的讨论结果进行评价和指导,最后得出相应的结论。这种探究式学习方法引导学生逐步形成良好习惯,激发学生的探索欲望,让学生充分体会到知识学习的过程。

3.3 拓展探究内容,培养学生探究精神

教师提出问题:别的酶是否能催化过氧化氢的分解? 过氧化氢酶能否催化其他物质分解? 如何进行进一步实验探究? 学生以小组为单位在已有实验的基础上设计出两种实验方案:①在一支新的试管中加入5 mL 3% H2O2溶液和1 mL 淀粉酶溶液,与B 试管比较气泡的产生量。②在一支新的试管中加入5 mL淀粉溶液和1 mL 新鲜的猪肝匀浆溶液,与B 试管比较气泡的产生量。教师请两位学生根据自己组内的实验设计方案进行演示实验,学生观察实验现象,得出酶还具有专一性的特点。

教师展示任务:结合教材77 页的图文材料,尝试解释酶具有专一性的原因。学生通过阅读教材,提取有效信息,归纳概括出酶具有专一性的原因为不同种类酶的活性中心结构不同,所以催化的底物就不同。教师追问:细胞中酶的专一性和高效性对于细胞的代谢有何重要意义? 并以卡塔尔世界杯中的足球运动员为例,引导学生认识到足球运动员体内供能的化学反应如果低效进行,运动员就无法快速地踢球。学生根据教师提示,说出酶具有高效性的意义。在此基础上,教师进一步引导学生总结酶具有专一性的意义。

设计意图:在已有探究实验的基础上,对探究内容进行拓展,是对生物学知识的有效深化,是思维能力的形成和发展。本环节中教师在学生已有知识的水平上,提出更高层次的问题,激励学生继续探究,有利于拓展学生的思维能力,培养探究精神。同时,通过组织学生阅读教材,提取信息,以图文结合的方式解释酶具有专一性的原理,建立结构与功能相适应的生命观,感悟酶的高效性和专一性对生命活动正常运行具有重要意义。

3.4 生活化教学,增强学生社会责任感

教师展示加酶洗衣粉的洗衣说明,并引导学生阅读资料:“加酶洗衣粉中添加了多种酶制剂,其中主要添加了蛋白酶制剂和脂肪酶制剂,这些酶制剂不仅有效地清除衣物上的污渍,而且对人体没有毒害作用,所以深受人们的普遍欢迎。加酶洗衣粉使用温水溶解洗衣粉洗涤效果最佳,丝绸、羊毛质地的衣服不适合用加酶洗衣粉洗涤。”在此基础上,教师提出问题:为什么棉、麻、化纤等质地的衣服可以用加酶洗衣粉洗涤,而丝绸、羊毛质地的衣服不适合用加酶洗衣粉洗涤? 学生阅读资料后小组讨论分析,并尝试利用酶的专一性说明,加酶洗衣粉中的蛋白酶只能水解丝绸、羊毛质地衣服中的蛋白质,而不能水解棉、麻、化纤等质地衣服中的其他成分。最后教师布置课后思考题:为什么温水溶解洗衣粉洗涤效果最佳?

设计意图:生活化教学可以减轻学生的理解负担,提高学习兴趣,增强学习信心。本环节中,学生从探究学习的过程中已经认识到酶的作用特点,贴近生活的例子可以提高学生学以致用的能力。学生将知识运用于生活,综合能力得到了明显的增强。而课后思考题的设置为第二课时的学习打下基础。

4 教学反思

本节课结合具体的教学内容,以探究式教学为主,采用多种不同的教学方法达到教学目标。教师以问题链的形式导入课堂,激发学生的兴趣,学生带着兴趣阅读资料,快速提取信息,为探究实验储备知识。在整个探究式教学的环节中,学生在教师的引导下通过小组合作、自主思考等方式,积极地参与到了课堂学习中。学生在小组合作的过程中积极交流,分享实验结果,提升了学生的团队协作能力。探究实验后,教师提出整合度更高的问题以鼓励学生继续探究,创造了活跃的思维主体,利于提高学生的思维能力,培养科学探究精神。最后,生活化的教学使学生能够利用所学知识,尝试解决现实生活中的问题,从而提升学生的社会责任感。