基于學(xué)科核心素養(yǎng)的“生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

蔣金珍

(上海市進(jìn)才中學(xué) 上海 200135)

1 教材分析

“生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)”是上海高中生命科學(xué)第1冊(cè)教材中第4章第1節(jié)的內(nèi)容，主要包括“合成反應(yīng)和分解反應(yīng)”“生物催化劑——酶”“生命活動(dòng)直接能源——ATP”。其中，酶的作用特點(diǎn)和影響酶活性的因素是教學(xué)重點(diǎn)，酶的作用機(jī)理是難點(diǎn)。本節(jié)內(nèi)容為學(xué)習(xí)“光合作用、細(xì)胞呼吸”等內(nèi)容作了鋪墊，又與第2章中“生物體內(nèi)的有機(jī)化合物”部分密切聯(lián)系，因此，本節(jié)內(nèi)容具有承前啟后的作用。本節(jié)內(nèi)容在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中，屬于必修課程模塊1中大概念2。課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本部分的內(nèi)容要求是： 說明絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)，酶活性受到環(huán)境因素(如pH和溫度等)的影響；在教學(xué)提示部分，課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)內(nèi)容提出了如下教學(xué)活動(dòng)建議： 探究酶催化的專一性、高效性及影響酶活性的因素。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 聚焦大概念，引導(dǎo)學(xué)生形成生命觀念 圍繞生物學(xué)大概念組織教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)對(duì)重要概念的深入理解，為學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)留出更多的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容少而精，這是課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)課堂教學(xué)變革的要求和期待。基于課程標(biāo)準(zhǔn)要求和教材分析，筆者對(duì)本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行了合理取舍，將“生命活動(dòng)直接能源——ATP”安排在第2課時(shí)，確保在本節(jié)課中，讓學(xué)生有比較充裕的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，能夠深入理解“酶的作用特點(diǎn)和酶活性受到環(huán)境因素(如pH和溫度等)的影響”這一生物學(xué)概念。從而有助于學(xué)生形成“細(xì)胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)”這一重要概念，為理解“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”這一大概念起支撐作用，進(jìn)而幫助學(xué)生從細(xì)胞角度，形成生命觀念中的“物質(zhì)和能量觀”。

2.2 注重科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維 科學(xué)探究和科學(xué)思維是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的兩個(gè)重要方面，也是生物學(xué)課程育人價(jià)值的集中體現(xiàn)。科學(xué)探究既是科學(xué)工作的核心內(nèi)容和基本范式，也是一種學(xué)習(xí)方式，被普遍認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的有效策略之一。因此，在生物學(xué)課堂教學(xué)中，教師要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更多的機(jī)會(huì)，讓他們參與動(dòng)手實(shí)踐、思考、觀察、記錄和交流等活動(dòng)；在探究過程中，學(xué)會(huì)提出、支持、評(píng)價(jià)以及修正觀點(diǎn)，在運(yùn)用事實(shí)和證據(jù)進(jìn)行論證過程中，提升科學(xué)思維的能力。

本節(jié)課，通過“探究酶的高效性”和“探究影響酶活性的因素”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生提供參與動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，讓他們親歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程；基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(即事實(shí)和證據(jù))的比較和分析，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用歸納和概括等思維方法，進(jìn)行邏輯推理，闡明“酶具有高效性以及溫度和pH會(huì)影響酶的活性”這一科學(xué)概念，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

2.3 遷移應(yīng)用知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任 課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“社會(huì)責(zé)任”的界定是： 基于生物學(xué)的認(rèn)識(shí)，參與個(gè)人與社會(huì)事務(wù)的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題的擔(dān)當(dāng)和能力。學(xué)生應(yīng)積極運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)和方法，嘗試解決現(xiàn)實(shí)生活問題。依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，本節(jié)課布置的課后作業(yè)，注重聯(lián)系學(xué)生生活實(shí)際，將“生物催化劑——酶”的原理應(yīng)用于解釋加酶洗衣粉的洗滌條件、不適用于洗滌真絲類衣物的原因，并設(shè)計(jì)洗滌方案加以實(shí)踐體驗(yàn)。通過網(wǎng)上搜索資料，讓學(xué)生感悟酶在生活和生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。設(shè)置這樣的課后作業(yè)，目的是讓學(xué)生更加關(guān)注學(xué)習(xí)后的實(shí)踐經(jīng)歷，加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，能用科學(xué)的觀點(diǎn)、知識(shí)、思路和方法，探討或解決現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)問題，從而實(shí)現(xiàn)生物學(xué)的學(xué)科育人價(jià)值。

3 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 能運(yùn)用物質(zhì)與能量觀，舉例說明生物與環(huán)境及體內(nèi)細(xì)胞之間的物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)體的自我更新。

(2) 通過“探究酶的高效性”和“探究影響酶活性的因素”的實(shí)驗(yàn)，能運(yùn)用簡單符號(hào)和文字記錄描述觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在探究過程中，能與同學(xué)主動(dòng)合作并交流結(jié)果。

(3) 能基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(即事實(shí)和證據(jù))的比較和分析，運(yùn)用歸納和概括等思維方法，進(jìn)行邏輯推理，闡明“酶具有高效性以及溫度和pH會(huì)影響酶的活性”這一科學(xué)概念。

(4) 能運(yùn)用酶的原理解釋加酶洗衣粉的洗滌條件、不適用于洗滌真絲類衣物的原因，并設(shè)計(jì)洗滌方案進(jìn)行實(shí)踐體驗(yàn)，解決生活中的實(shí)際問題。通過資料搜索，感悟酶在生活和生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

4 教學(xué)過程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，引出新陳代謝 聯(lián)系學(xué)生生活實(shí)際，教師提出系列問題： 我們每天三餐攝入食物的目的是什么？食物中含有哪些營養(yǎng)成分？其中，哪些屬于能源物質(zhì)？學(xué)生在思考回答這些問題的過程中，歸納和概括出： 人體攝食的目的是獲取機(jī)體生命活動(dòng)所需的物質(zhì)和能量。教師補(bǔ)充說明： 人體細(xì)胞每時(shí)每刻都在消耗能量，大家坐在教室里聽課、思考，腦細(xì)胞消耗的能量大約占20%。因此，同學(xué)們?nèi)粘Ｈ投家_保合理的營養(yǎng)，以補(bǔ)充細(xì)胞生命活動(dòng)的需要。通過設(shè)問“細(xì)胞是如何從這些能源物質(zhì)中獲取所需的能量”引出細(xì)胞通過氧化分解有機(jī)物，釋放能量，并將代謝產(chǎn)生的廢物排出體外。教師小結(jié)： 正是由于生物體與環(huán)境之間不斷地進(jìn)行著物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)換，機(jī)體內(nèi)細(xì)胞之間也時(shí)刻發(fā)生著物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)換，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)體的自我更新，即新陳代謝。

設(shè)計(jì)意圖： 從學(xué)生最熟悉的一日三餐導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)生活化的問題情境。一方面，引導(dǎo)學(xué)生在思考回答這些問題的過程中，理解物質(zhì)代謝和能量代謝對(duì)于機(jī)體生命活動(dòng)的重要性，引出本節(jié)課的重要概念——新陳代謝；另一方面，這些問題是真實(shí)的生活問題，對(duì)學(xué)生來說，感到十分親近，學(xué)生非常自然地、快速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，也縮短了師生之間的距離。

4.2 溫故知新，判斷反應(yīng)類型 過渡： 新陳代謝是通過一系列化學(xué)反應(yīng)完成的，生物體內(nèi)常見的化學(xué)反應(yīng)有兩種類型，即合成反應(yīng)和分解反應(yīng)。

教師出示合成反應(yīng)和分解反應(yīng)的定義，組織學(xué)生依據(jù)定義，說出分析和判斷化學(xué)反應(yīng)所屬類型的關(guān)鍵是什么？學(xué)生認(rèn)為，關(guān)鍵是要區(qū)分哪些是大分子物質(zhì)，哪些是這些大分子物質(zhì)的基本單位或化學(xué)組成。然后組織學(xué)生回顧第二章學(xué)習(xí)過的有機(jī)化合物，如多糖、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸及其基本組成。

教師在PPT中列舉氨基酸脫水縮合、多肽水解、葡萄糖脫氫分解三個(gè)化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生分析、判斷其所屬化學(xué)反應(yīng)類型，并講出判斷理由。再組織學(xué)生比較多肽水解與葡萄糖脫氫分解的異同，說明水解反應(yīng)與氧化分解反應(yīng)的異同。

設(shè)計(jì)意圖： 在讓學(xué)生回顧第2章生物體內(nèi)主要有機(jī)物及其組成的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生判斷列舉的化學(xué)反應(yīng)所屬的類型。既能讓學(xué)生舉一反三，觸類旁通，又復(fù)習(xí)鞏固了有機(jī)物的相關(guān)知識(shí)。通過新舊知識(shí)的銜接，有助于學(xué)生建構(gòu)前后知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系。

4.3 設(shè)置探究，培養(yǎng)科學(xué)思維 過渡： 從剛才的反應(yīng)中可以看出，生物體內(nèi)不管哪一類化學(xué)反應(yīng)，都需要在酶的作用下才能有條不紊地進(jìn)行，酶是一種生物催化劑。我們?cè)诔踔谢瘜W(xué)課上已經(jīng)學(xué)過無機(jī)催化劑，讓學(xué)生回顧無機(jī)催化劑的特點(diǎn)，引出生物催化劑也有此共性，但是兩者有差異。

4.3.1 探究酶的高效性 學(xué)生通過下列實(shí)驗(yàn)(表1)，觀察比較3支試管中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

表1 試管1～3的實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

教師組織學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析討論： 設(shè)置1號(hào)試管的目的是？比較2號(hào)與1號(hào)試管的現(xiàn)象，說明酶具有什么作用？比較2號(hào)與3號(hào)試管的現(xiàn)象，說明酶的作用特點(diǎn)。通過上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、比較，由學(xué)生推導(dǎo)出： 酶具有催化作用；與無機(jī)催化劑相比較，酶的催化效率更高。

4.3.2 探究影響酶活性的因素 學(xué)生通過4、 5、 6三支試管實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和比較(表2)，分析推導(dǎo)出： 影響酶活性的因素包括溫度和pH。教師補(bǔ)充說明，除溫度和酸堿度外，還有抑制劑、射線、重金屬離子等也會(huì)影響酶的活性。

表2 試管4～6的實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

設(shè)計(jì)意圖： 通過兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，提供學(xué)生實(shí)踐的機(jī)會(huì)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)用簡單符號(hào)和文字記錄描述觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；在探究過程中，學(xué)會(huì)與同學(xué)主動(dòng)合作，并交流結(jié)果；學(xué)會(huì)基于事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用歸納和概括等思維方法，進(jìn)行邏輯推理，闡明生物學(xué)概念。

4.4 分析討論，闡明酶的作用機(jī)理 組織學(xué)生圍繞下列問題開展小組討論： 為什么高溫下，酶會(huì)失活？酶的化學(xué)本質(zhì)究竟是什么？為什么酶具有催化作用，它的作用機(jī)理是怎樣的？為什么酶具有專一性？教師出示兩只分別放入蛋清和煮熟雞蛋的燒杯，讓學(xué)生觀察比較，說明經(jīng)過高溫后，蛋白質(zhì)凝固了，其形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。然后，教師提供科學(xué)研究資料： 大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)。由此，讓學(xué)生遷移解釋酶經(jīng)過高溫后會(huì)變性失活的原因。

教師出示教材中“酶的專一性示意圖”，說明圖中酶分子的活性部位，只有與底物在結(jié)構(gòu)和形狀上完全契合，才能起催化作用。不同的反應(yīng)物，結(jié)構(gòu)和形狀不同，所以一種酶只能催化一種物質(zhì)或一類物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。酶與底物之間的契合關(guān)系好比是鎖和鑰匙之間的關(guān)系，正如，你家的鑰匙不能打開他家的門；反過來，如果由于某種因素破壞了酶分子的活性部位，那么底物也不能與之契合，就好比家里的鎖壞了，鑰匙也打不開。

設(shè)計(jì)意圖： 酶經(jīng)過高溫后會(huì)變性失活，學(xué)生對(duì)此比較難以理解。教師通過讓學(xué)生觀察和比較蛋清和煮熟雞蛋的蛋白質(zhì)形態(tài)差異，易于理解蛋白質(zhì)在高溫下變性失活，從而遷移解釋“酶經(jīng)過高溫后會(huì)變性失活”的原因。通過實(shí)物比較以及用“鎖和鑰匙關(guān)系”比喻“酶的專一性”，可以化抽象為形象，有助于學(xué)生更深刻地理解“絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)，酶活性受到溫度的影響”。

4.5 課堂小結(jié)，遷移應(yīng)用解決問題 組織學(xué)生歸納小結(jié)酶的定義、作用特點(diǎn)、影響因素、作用場所。讓學(xué)生舉出實(shí)例，如： 加多酶片、加酶洗衣粉、酵素等，說明酶在生產(chǎn)實(shí)踐和日常生活中的應(yīng)用，并歸納本節(jié)的知識(shí)導(dǎo)圖(圖1)。

圖1 本節(jié)知識(shí)導(dǎo)圖

教師布置課后作業(yè)： ①仔細(xì)閱讀洗衣粉袋上的說明，解釋加酶洗衣粉的洗滌條件、適用何種材質(zhì)的衣物、去污力強(qiáng)的原因；②運(yùn)用“影響酶活性的因素”這一知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的洗滌方案，使加酶洗衣粉中的酶發(fā)揮最好效果，并在家中實(shí)踐一次；③以“酶”為關(guān)鍵詞，在網(wǎng)上搜索相關(guān)資料，分析其在生活和生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

設(shè)計(jì)意圖： 組織學(xué)生自己歸納本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生自己建構(gòu)知識(shí)框架，形成知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系。課后布置的實(shí)踐類作業(yè)，有助于學(xué)生學(xué)以致用、實(shí)踐體驗(yàn)、感悟“生物催化劑——酶”在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中的價(jià)值。

5 教學(xué)反思

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，筆者認(rèn)為： 在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師首先要理解生物學(xué)核心素養(yǎng)是本學(xué)科實(shí)現(xiàn)“立德樹人”根本任務(wù)的價(jià)值所在，要仔細(xì)分析并挖掘教材內(nèi)容中隱含的學(xué)科育人價(jià)值，學(xué)會(huì)將專家的頂層設(shè)計(jì)細(xì)化落實(shí)到每一節(jié)課堂教學(xué)中，始終將學(xué)科核心素養(yǎng)作為教學(xué)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。其次，教師要將“以學(xué)生發(fā)展為本”的理念，落實(shí)到課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，要有意識(shí)地創(chuàng)設(shè)有助于學(xué)生有效學(xué)習(xí)的探究實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手實(shí)踐、互動(dòng)交流等學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在科學(xué)探究過程中，發(fā)展科學(xué)思維，基于事實(shí)和證據(jù)，作出理性解釋和判斷，具有解決生產(chǎn)生活問題的擔(dān)當(dāng)和能力。

本節(jié)課在學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，注重關(guān)注學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境；通過科學(xué)探究，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維；注重新舊知識(shí)的銜接，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)內(nèi)在聯(lián)系，形成物質(zhì)和能量觀；遷移應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，解決生活中的真實(shí)問題。彰顯了生物學(xué)教學(xué)的獨(dú)特育人價(jià)值，實(shí)現(xiàn)從“學(xué)科教學(xué)”向“學(xué)科教育”的轉(zhuǎn)變。