蔡燕

[摘 要]以新人教版生物学教材必修1第五章第一节《降低化学反应活化能的酶》的实验教学为例，从多个角度优化实验教学，进而实现对生物学重要概念的建构。

[关键词]实验教学;重要概念;化学反应活化能;酶

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）08-0086-02

生物学是一门以实验为基础的科学，通过实验来研究和认识事物是生物学的突出特征，离开了实验，生物学的概念、原理也就失去了基础。实验教学是生物学课程的特点，是生物学教学的基本形式之一。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》强调“要高度关注教学过程中的实践，通过探究实验加深学生对生物学概念的理解”。

《降低化学反应活化能的酶》是人教版生物学教材必修1第五章第一节的内容，此课有一个重要的实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解，这是一个验证性实验，目的是验证过氧化氢酶在细胞代谢中的作用。实验的内容和对象都是规定好的，照着课本按部就班地做实验即可。这种“配方”式的实验教学能够呈现生物学事实，但缺少学习的乐趣。建构主义学习理论认为，学生是学习的主体，是知识的主动建构者，只有在学生积极参与时，建构活动才可能发生。教学活动中应当唤起学生的求知欲，激发学生的学习兴趣，促使他们不断思考与探究。鉴于此，笔者尝试优化《降低化学反应活化能的酶》的实验教学，以促进学生建构重要概念。

一、重要概念的认识

重要概念是处于学科中心位置，对学生学习具有引领作用的基础知识，它能够将零散的知识系统化和条理化。生物学的重要概念应该是学生在将来遗忘了一些学过的具体生物学事实后，仍能长时间保留的主干知识，包括对生物学原理、理论等的理解和解释。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确提出“教师在设计和组织每个单元的教学活动时，应该围绕大概念和重要概念展开”“所有的教学活动都要有利于促进学生对生物学概念的建立、理解和应用”。认真分析和梳理《降低化学反应活化能的酶》第一课时，发现其重要概念包括降低化学反应活化能的酶、控制变量（自变量、因变量、无关变量）、对照实验（对照组、实验组）等。

二、实验教学的设计

1.创设情境，提出探究性问题

教师先引入俗语“人是铁，饭是钢，一顿不吃饿得慌”，再设计探究性问题“营养物质中的能量是如何被细胞所利用的？这些能量的最终源头是如何进入细胞的？”，接着阐述“对细胞来说，能量的供应和利用都必须经过复杂的化学反应，细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢，而这些化学反应离不开一种物质……”，最后让学生欣赏视频“加酶农作物的神奇变化”，并提问：“视频中的农作物在喷洒了酶溶液后为何能够长得如此巨大？酶在细胞代谢中起什么作用？它是怎样起作用的？”从而导入新课。

设计意图：联系生活实例引入，利用合理的视频资源，抓住学生的兴趣点创设问题情境，以吸引学生的注意力，促使学生主动学习。

2.问题驱动，设计探究性实验

教师讲解：细胞代谢是细胞生命活动的基础，但在细胞代谢过程中会产生对细胞有害的物质，如过氧化氢。细胞中有一种叫过氧化氢酶的物质可将其分解为水和氧气（化学反应式：H2O2→H2O+O2）。请学生思考：（1）该反应在常温下能进行吗？如何通过实验进行检验？（2）有哪些方法可以加快该反应的速度？如何通过实验进行检验？说出具体的实验操作方法。（3）通过什么现象（或方法）可以检测反应速度的快慢？

学生思考并回答：将过氧化氢溶液分别倒入3支试管中，一支放在室温条件下，一支进行加热，一支加入一定量的无机催化剂，观察三支试管中的气泡产生速度或用带火星的木條进行检测。

教师继续提出问题：细胞中的过氧化氢酶的作用最可能与哪种情况相似？

学生思考讨论并做出假设：可能与加入无机催化剂的情况相似，因为细胞中的过氧化氢需及时分解，而细胞不能通过加热来提高反应速率。

教师引导学生设计实验，将实验材料（选用富含过氧化氢酶的组织）加入到过氧化氢溶液中，并观察现象。最后以小组为单位补充表1的实验步骤，并进行相关实验，在表1中记录实验结果。

设计意图：学生通过初中化学的学习对过氧化氢的分解这一过程较为熟悉。教师针对“过氧化氢酶的作用”这一重要概念，提出探究性问题“细胞中的过氧化氢酶的作用最可能与哪种情况相似？”引发学生深入思考，提出假设并进行实验检验，最后得出加热、加催化剂能够加快反应速率。教学设计自然而又不失趣味。鉴于学生对探究性实验的一般过程有初步的了解，但要独立完成实验步骤的设计难度极大，因此上述教学引导学生对表格实验步骤进行补充以降低实验设计难度，帮助学生有效突破学习难点，最后通过学生分组实验，提高学生的实验动手能力以及分析与设计实验的能力。

在学生完成实验的基础上，教师继续提出问题：（1）4支试管在实验步骤上的不同之处是什么？引导学生得出自变量的概念;接着展示加酶洗衣粉外包装“用温水溶液浸泡”这一说明，以及人体不同消化液的pH值（唾液pH：6.2～7.4，胃液pH：0.9～1.5，小肠液pH：7.6），引起学生质疑：温度或pH值的改变对酶的催化作用有何影响？教师追问：所提问题中的自变量分别是什么？（2）在2、3、4号试管中为何加入质量分数为5%的过氧化氢的量也为2 mL？（3）还有哪些因素会对实验结果造成影响？这些因素是否是本实验需要研究的？如何避免它们对实验结果造成的干扰？

学生小组讨论上述问题，并在教师的指导下从表1中指出实验中的自变量、因变量、无关变量、对照组、实验组。

设计意图：学生在补充表格中实验步骤的过程中，已尝试对变量进行控制。通过第一个问题帮助学生理解自变量以及对照实验，再通过两个问题情境及时巩固和加深学生对“自变量”这一重要概念的理解。通过第二个问题使学生了解无关变量，最后通过一系列层层递进的问题串，引发学生思考并促进学生深刻理解无关变量并非与实验“无关”，以及其需要保持相同且适宜的原因。

3.建立模型分析，加深概念理解

教师引导学生分析实验现象，提出问题：与1号试管相比，2号试管出现什么现象？这一现象说明什么？学生回答：加热能够加速过氧化氢的分解。教师继续追问：这是什么原因呢？利用图示方法（见图1）阐述常态、活跃状态以及活化能的定义。举例：汽油易被空气中的氧气氧化而燃烧，但常温下一般不会自燃，只有在点火后才能燃烧。请思考加热为何能提高化學反应速率。

接着引导学生进一步思考：比较1、3、4号试管中出现的实验现象，分析对实验的假设是否成立。学生沿着探究实验的步骤分析交流实验结果，得出结论：酶与无机催化剂相似，具有催化作用，且酶的催化作用更显著。

教师呈现表2，请学生根据表中数据分析并回答催化作用的机理，说出酶与无机催化剂相比催化作用更显著的原因。假定图1为常温下过氧化氢分解过程中的能量变化，请以小组为单位讨论在加热、加无机催化剂以及加酶后活化能的变化情况，并在图1的基础上建立不同条件下能量变化的数学模型（见图2），进行交流。

设计意图：不同条件下过氧化氢分解速率加快的原因各不相同，教师在处理“加热”这一条件时，采用“汽油燃烧”这一生活案例，便于学生理解;处理加无机催化剂和过氧化氢酶的条件时，给出具体的活化能数据，科学直观。引导学生进行小组讨论，将各条件下作用的机理绘制成数学模型，使学生直观、深刻地理解“酶降低化学反应活化能”这一重要概念，发展了学生的科学思维和模型构建能力。

三、教学反思

在这节实验课中，教师对教材上的验证性实验加以优化，巧妙设计系列问题引发学生思考，引导学生对实验进行深入探究，并且通过构建数学模型对实验现象和实验数据进行分析。在这种带着解决问题的目的去设计、进行及分析的实验教学中，学生是知识的主动建构者，一方面能够深刻理解相关重要概念，另一方面也能够逐渐养成探究的态度、方法和思维。

[   参   考   文   献   ]

中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（责任编辑 黄春香）