基于核心素養的生物探究實驗拓展式教學探索

張旭輝 史江寧

一、拓展式實驗教學模式

基于核心素養的拓展式實驗教學模式，是以培養學生的生物學核心素養為重心，以課本實驗為基礎，立足于高中教學實際和學生實際，充分挖掘和拓展課本實驗，在實驗材料、實驗步驟、實驗方法、實驗結論、討論交流等方面發揮學生的積極作用，激發學生的探究興趣，培養和提升學生的生物學核心素養。

二、拓展式實驗教學模式的實施

該教學模式在實施之前，教師首先要進行課前分析，了解教材、學生、學校實驗室的實際情況，有針對性的設計優化的教學流程實施拓展式教學，從而達到提升學生生物學核心素養的目的。

（一）課前分析

1.教材分析

本實驗是人教版必修1第5章第1節第二課時《酶的特性》中的內容，是在完成第一課時《酶的作用和本質》中“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗之后所設置的一個探究性實驗。該實驗在設置上注重對實驗材料的選擇、結果的預判和實驗方案的設計。

2.學情分析

通過對《酶的作用和本質》的學習，學生對酶已有一定的認識，對自變量的設置、因變量的檢測和無關變量的控制都有了一定的了解。同時，經過初中及高一前一階段的實驗訓練，學生在化學藥品的取用、儀器設備的使用以及實驗操作等方面也有一定的基礎。

3.實驗條件分析

本實驗材料簡單、易得，對實驗室設備要求不高，有恒溫水浴鍋即可順利開展實驗。

（二）拓展過程

1.材料拓展

基礎材料：學生結合已有知識從教材中給出的眾多備選材料中選擇淀粉酶作為本次實驗的主要材料。

拓展淀粉酶的獲取途徑：購買ɑ-淀粉酶或收集口腔中的唾液淀粉酶。

2.原理拓展

基礎原理：淀粉酶活性的大小可通過單位時間內反應物淀粉的剩余量或產物麥芽糖和葡萄糖的生成量來反映。淀粉遇碘， 形成紫藍色的復合物。

學生通過查閱資料進一步拓展了實驗原理：淀粉酶水解淀粉是一個逐步進行的過程， 淀粉水解不同階段的中間產物遇碘有不同的顏色反應， 最后才形成遇碘不顯色的麥芽糖和葡萄糖。麥芽糖和葡萄糖這些還原糖可以用斐林試劑檢測，但斐林試劑的使用會干擾該實驗自變量的設置。因此，該實驗選用碘液來檢測淀粉的剩余量。然而，高溫下碘會與水分子發生歧化反應：3 I2+ 3H2O ←→5H I+ H IO 3， 淀粉只與I2 形成紫藍色復合物， 而不與I- 或IO -3 形成紫藍色的復合物。

3.方法拓展

在該實驗的探究過程中，學生以小組為單位，在教師引導下討論設計不同的實驗方案。下面列出學生自主設計的3種代表性方案：

步驟 1 2 3 4 5 6

方案甲 取3支試管編號A、B、C 各加入2ml可溶性淀粉溶液 再各加入1ml淀粉酶 搖勻后分別放入沸水、溫水和冰水中保溫5min 各滴3滴碘液，搖勻

方案乙 取3支試管編號A、B、C 各加入1ml淀粉酶 分別放入沸水、溫水和冰水中保溫5min 各加入2ml可溶性淀粉溶液 搖勻后維持各自溫度5min 各滴3滴碘液，搖勻

方案丙 取3支試管編號A、B、C 各加2ml可溶性淀粉溶液并分別置于沸水、溫水、冰水中保溫處理 另取3支試管編號A、B、C 各加2ml淀粉酶并分別置于沸水、溫水、冰水中保溫處理 將A和A，B和B，C和C混合搖勻后維持各自溫度5min 各滴3滴碘液，搖勻

學生對以上三種方案進行分析評價：方案甲的實驗步驟缺乏科學性、嚴謹性。因為加入淀粉酶后再控制溫度， 那么當淀粉酶一加入， 其中的淀粉酶馬上催化淀粉水解， 就會產生實驗誤差， 對實驗結果造成干擾，也就得不出溫度對酶活性影響的正確實驗結果。因此，方案乙、丙更科學嚴謹。對于方案乙、丙，同學們各執一詞、爭論不下，于是教師建議學生分組分別按照方案乙和方案丙進行實驗，用結果說明問題。

4.結果拓展

學生分組分別按照方案乙和方案丙進行完實驗后發現，大部分小組方案乙和方案丙的結果都與預期結果相符，都能說明溫度可以影響酶的活性，在適宜溫度下酶的活性較高。可見，對于該實驗可行的實驗方案并不是只有一個。

但是也有部分小組實驗結果與預期不符：溫水處理組加碘后顏色較深，而沸水處理組加碘后顏色近于無色。針對以上異常現象，教師引導學生結合實驗原理以及自己的操作進行分析，學生很快找到可能的誤差原因：

（1）溫水處理組淀粉與淀粉酶混合后必須給予充分的反應時間，否則可能因為反應不徹底，淀粉及其中間產物均可與碘液產生顏色反應，導致最終檢驗結果誤差。

（2）沸水處理組碘液加入后在高溫下碘與水分子發生歧化反應：3 I2+ 3H2O ←→5H I+ H IO 3， 而淀粉只與I2 形成紫藍色復合物，不與I- 或IO -3 形成紫藍色的復合物。

為了驗證上述分析的結果，學生進行了實驗的改進：

（1）淀粉與淀粉酶還是按照2：1混合，但混合后給予充分的反應時間，至少五分鐘；

（2）改變淀粉與淀粉酶的比例，按照1：1混合，混合后的反應時間可以縮短到兩分鐘；

（3）沸水處理組在試管冷卻后再加入碘液。

學生按照改進后的實驗方案進行操作，經過多次獨立實驗證實，結果明確，具有良好的重復性。

三、探究實驗拓展式教學后的思考與建議

在探究實驗中，是否只有那些與預期結果一致的實驗才算是成功呢？是不是所有學生的實驗結果必須完全一致，該實驗設計才算完善呢？

在 “探究溫度對酶活性的影響”的實驗過程中，通過學生對實際實驗過程中所出現的各種顏色及深淺變化的觀察和分析，不僅可以幫助學生透徹理解酶活性的高低就是酶催化反應物發生反應的速度快慢這一基本原理的本質，而且能加深學生對生命活動的漸進性、多樣性以及受到多種因素影響的認識，使學生理解酶的生物催化作用乃至新陳代謝活動，是一個逐步發生的漸進過程。而且學生通過自己設計實驗，親自動手尋找出現不同實驗現象的原因，激發了學習的興趣和主動性，逐步形成分析和解決問題、探索科學規律的能力，提升了生物學核心素養尤其是科學探究的素養。