“科学探究”素养导向的高中生物学教学设计

［摘 要］文章以“酶的作用和本质”为例，介绍以“科学探究”素养为导向的高中生物学教学设计，将实验探究和科学史相结合，让学生在探究性实验的设计、实施和数据分析以及科学史实验的分析中构建生物学概念，从而提升学生的“科学探究”核心素养，促进学生生物学学科核心素养的发展。

［关键词］科学探究；素养导向；高中生物学；教学设计

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）20-0091-03

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，着力培养学生的科学探究和生物学实践能力[1]。在高中生物学教学过程中，教师要关注学生学习的实践经历，强调学生的积极参与，让学生在科学探究中深化对知识的理解，训练科学思维，从而发展核心素养。现以“酶的作用和本质”的教学设计为例，探讨新课标理念下培养学生科学探究能力的路径。

一、教材分析

“酶的作用和本质”是人教版高中生物学必修1第5章第1节“降低化学反应活化能的酶”的第一课时内容，主要介绍酶在细胞代谢中的作用和酶的本质[2]，帮助学生建构重要概念“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”。本节在学生建构重要概念“物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞的正常代谢活动”之后，安排“比较过氧化氢在不同条件下的分解”探究实践活动，旨在让学生学会运用科学方法，理解酶在细胞代谢中的作用，从而发展科学思维和科学探究核心素养，为后续建构大概念“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”打好基础，具有承上启下的作用。

二、学情分析

通过初中阶段的学习，学生一方面初步具备科学探究能力，且知道无机催化剂能催化化学反应，了解食物消化是酶催化食物分解的化学反应过程，但关于酶的作用和本质缺乏知识的建构；另一方面，具备一定的阅读分析、归纳总结、类比推理等科学思维能力，能在问题导向下根据科学史实和实验数据，理解酶的作用和本质，建构活化能等概念，完善知识体系。

三、教学目标

根据新课标的要求，围绕生物学学科核心素养的培养，制订以下教学目标：

（1）设计实施探究实验“比较过氧化氢在不同条件下的分解”，通过自行设计和思考，提升科学思维能力，学会严谨地对待实验。

（2）分析探究实验数据结果，认同酶的催化作用，掌握科学探究的一般步骤和原则，提升科学思维和科学探究素养。

（3）通过分析实验数据和科学资料，思考能量变化的趋势，理解“活化能”的概念，认同酶的作用原理，总结出酶能降低化学反应活化能。

（4）通过阅读分析科学史实，与历史中科学家的观点相联系，理解酶的本质，认同科学在质疑和验证中不断发展，体会科学家严谨认真、坚持不懈的科学态度。

四、教学重难点

（1）教学重点：本节课要指导学生采用控制变量法对酶的作用和本质进行实验探究，通过分析实验数据得出酶的作用和本质。因此，用控制变量法探究酶的作用实验是本节课的教学重点。

（2）教学难点：由于学生缺乏化学键断裂与形成过程中能量变化的理论基础，难以理解“活化能”概念。因此，“酶能降低化学反应的活化能”和“比较过氧化氢在不同条件下的分解”是本节课的教学难点。

五、教学过程

（一）创设情境，激活思维，引出主题

以斯帕兰札尼巧妙的实验作为情境材料，结合当下热门的事件，通过问题串激活学生思维，引出本节课的主题——酶的作用和本质。

情境材料1：斯帕兰札尼将装有肉块的小巧的金属笼让鹰吞下，研究鹰的消化作用[3]。

情境材料2：“大胃王”暴饮暴食及在暴饮暴食后出现消化不良时口服多酶片。

情境问题：①材料1中的实验会出现怎样的现象？②为什么会出现这样的现象？③多酶片的功能是什么？④多酶片助消化的物质是什么？⑤消化酶是怎样助消化的？⑥消化酶的作用原理是什么？⑦消化酶的化学本质是什么？

设计意图：结合科学史，以生活见闻为情境，鼓励学生思考，培养学生结合生活常识推测问题，激发学生的学习兴趣，激活学生思维，引出主题“酶的作用和本质”，为后续学习奠定基础。

（二）科学探究，对照分析，掌握酶的作用

将生物学与化学相结合，以初中化学实验“氧气的实验室制取与性质”为切入点，通过问题探讨、实验探究和科学分析等过程，让学生掌握“对照分析”方法，明确酶也是催化剂，具有催化作用。

1.问题探讨，类比分析，推测酶的作用

以初中化学实验“氧气的实验室制取与性质”（制取装置如图1所示）为切入点，让学生回顾初中化学知识，并辅以问题串“①在氧气的实验室制取中，二氧化锰有什么作用？②多酶片能助消化，促进食物分解，能推测出消化酶的作用吗？”，引导学生探讨MnO2与消化酶的联系，推测酶的作用。

设计意图：以初中化学知识为切入点，让学生回顾“氧气的实验室制取”过程[4]，其中二氧化锰是无机催化剂，可使过氧化氢分解成水和氧气，并让学生将“多酶片促进食物分解”与之作类比，通过“分解”这一共同点类比推理出酶也具有催化作用，为探究酶的作用做铺垫。同时，让学生体验运用跨学科知识解决生物学问题，培养学生的知识迁移能力和科学思维素养。

2.史料学习，掌握事实，确定探究思路

通过科学史“1811年，泰纳尔首次发现过氧化氢酶；1900年，奥斯卡·勒夫发现过氧化氢酶的主要功能是清除过量的过氧化氢”[5]，让学生了解一些科学史实，并以此设问“①怎样实现过氧化氢的清除？②过氧化氢在什么条件下分解？③怎样证明过氧化氢酶能清除过氧化氢？”，引导学生确定探究酶作用的实验思路。

设计意图：通过科学史，让学生了解生物体内存在有害物质过氧化氢，也存在能够清除过氧化氢的酶，让学生明确要探究酶的作用，可从生物组织中提取过氧化氢酶进行实验，从而初步确定实验的探究思路：比较过氧化氢在不同条件下的分解速度，确定过氧化氢酶的催化分解作用，从中训练学生的实验设计能力，发展学生的科学探究素养。

3.探究实践，分析现象，科学归纳结论

根据探究思路，设计“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验方案，确定实验步骤，开展实验并记录实验结果（如表1），并以问题串“①试管1在本实验中起着怎样的作用？是否可以弃用？为什么？②试管1和试管2现象有何不同？说明什么？③试管1和试管3现象有何不同？说明什么？④试管1和试管4现象有何不同？说明什么？⑤试管3和试管4现象有何不同？说明什么？⑥本实验能得出哪些结论？”引导学生分析实验现象，得到相应的实验结论，认同酶具有催化作用。

设计意图：让学生在亲身探究中分析实验数据，得出相应的结论：从试管1与试管2的对比中得出提供能量（增加温度）能提高反应速率；从试管1与试管3的对比中得出二氧化锰具有催化过氧化氢分解的作用；从试管1与试管3、试管4的对比中得出生物组织中存在的过氧化氢酶较之无机催化剂二氧化锰具有更高的催化效率。通过实验探究，训练学生的实验分析能力和科学思维能力，同时引导学生思考为什么会出现这些实验现象，为探究酶的作用原理埋下伏笔。

4.史料学习，科学分析，认同酶的作用原理

引入科学史“分子转变为活跃状态才能发生化学反应，1889年瑞典物理化学家阿列纽斯将分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需的能量称为‘活化能’[6]”，并结合表2的数据分析，设置问题串“①什么样的分子才能发生化学反应？②怎样才能让分子具备反应条件？③通过表2的数据分析能得出什么结论？④你能推断出酶的作用原理吗？”，引导学生知道并理解“活化能”，认同酶的作用原理。

设计意图：通过科学史让学生知道并理解“活化能”，结合数据和问题串进行分析，逐步让学生知道并认同酶的作用原理，培养学生的实验数据分析能力以及问题探究能力。

（三）史实为证，科学分析，认同酶的本质

以科学史“①1926年，美国科学家萨姆纳历经9年，从刀豆种子提取液中分离并提纯了脲酶结晶，且证明脲酶是蛋白质，并提出酶的本质是蛋白质；②20世纪80年代，加拿大分子生物学家奥尔特曼和切赫分别在实验中发现核糖核酸具有催化功能”[7]引导学生思考问题：“萨姆纳、奥尔特曼和切赫分别证明了什么？你能用自己的话概括出酶的本质吗？”，进而概括出酶的本质是具有催化作用的有机物[8]。

设计意图：以科学史为基础引导学生概括酶的本质，结合前段内容实现从“作用”“作用原理”和“本质”三个维度认识酶，从而建构酶的概念，为建构重要概念“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”打好基础。同时，让学生在阅读分析科学史的过程中理解科学在不断的探索中发展，体会科学家在科学探索中的坚韧和执着。

六、教学反思

高中生物学课程的核心价值是培养学生的生物学学科核心素养，促进学生全面发展。本节课结合科学史，将科学探究贯穿教学始终，充分激活学生的思维，提出疑问，让学生在实验设计、操作与分析以及史料阅读分析中，逐步建构生物学概念。本节课有效地训练了学生的科学思维能力、科学探究能力和问题解决能力，有效促进了学生生物学学科核心素养的发展，有助于学生的全面发展，是可借鉴的教学案例。

［   参   考   文   献   ］

[1]  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]  人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书 生物学 必修1  分子与细胞[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]  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（5）：10-12.

[4]  毕华林，亓英丽.化学教学设计[M]. 北京：北京师范大学出版社，2012.

[5]  于德玲，王昌留.过氧化氢酶的研究进展[J].中国组织化学与细胞化学杂志，2016，25（2）：189-194.

[6]  谢仁荣，申定健，吴志强.高中生物学教学中对酶促反应活化能的理解[J].生物学教学，2022，47（9）：89-91.

[7]  周美英，朱晓燕.生物学学科核心素养导向下的教学实践与反思：以“酶的作用与本质”教学为例[J].生物学通报，2019，54（10）：28-30.

[8]  赵婷婷.“关于酶本质的探索”科学史分析与教学建议[J].生物学教学，2022，47（7）：93-95.

（责任编辑 罗 艳）