項目導學在“酶本質的探索”科學史中的教學實踐

石進德

(福建省廈門市集美區灌口中學 廈門 361023)

項目導學是指圍繞某個生物學大概念或核心概念，在實驗過程或教學環節中，以新情境下的項目活動為引導，讓學生在完成項目任務的實踐過程中，綜合運用已學的知識，理解生命現象和規律，由感性認識上升到理性認識的一種教學方式。高中生物科學史有助于學生深入理解科學的本質，體驗科學研究的方法，感悟科學探究的精神[1]。以項目學習方式開展生物科學史教學，能更好地學習生物科學理論，掌握生物科學技術，構建系統性和工程化的高中生物學知識框架和高中生物學模型體系。

1 分析交流科學史，初識科學本質

教材中科學史內容都是以資料的形式呈現，通過分析可讓學生了解生物科學史事實和知識形成過程，提煉科學家的研究方法，在科學事實中挖掘科學思想、學會分析和認識科學。

本環節采用內容分析法，圍繞項目學習任務，引導學生帶著原有知識和生活背景，系統、客觀地指出信息(生物科學史內容)的主要特征，形成科學史發展過程概念圖。根據教材和教師提供的科學史資料，圍繞目標的確定→維度的設計→材料的抽取→材料的處理→概念的構建→知識的形成等幾個環節，對“酶的本質探索”過程科學史進行分析，最終形成對酶的本質認知。1.1 確定研究目標 酶的本質探索源由→酶的本質探索歷程→酶的本質→酶的概念。

1.2 設計分析維度 科學家的邏輯思想、不同觀點、觀點的積極性與局限性、酶的概念認知和酶的本質。

1.3 抽取分析材料 巴斯德、李比希和畢希納三人的研究結果→薩姆納等人的研究結果→切赫和奧特曼的研究發現。

1.4 處理分析材料 通過互相質疑、辯論形式，分析巴斯德與李比希的爭論焦點→歸納畢希納研究結果的認知，得到主張： 發酵是由酵母活細胞產生的某種物質引起→引出薩姆納主張： 脲酶是蛋白質→延伸切赫和奧特曼的補充： RNA具有酶的特性。

1.5 構建材料框架 形成概念模型圖解： 絕大多數酶是蛋白質，少數是RNA。在教師的引導和啟發下分析生物科學史。學生基于原有的認知科學地分析資料，結合科學與技術的發展、運用推理相互質疑，提出主張。

2 模擬科學史實驗，體驗科學本質

高中生物科學史展示了許多的實驗設計、實驗操作的范式。同時，也體現了科學家的邏輯思維，并且都伴隨著技術的發展而不斷地提升實驗的科學性。而科學實驗的可重復性是科學本質的重要內涵之一，在高中生物科學史的分析、理解基礎上，利用簡易或可替代的實驗材料，設計類似實驗項目，模擬科學史實驗，嘗試讓學生動手實踐，對相關實驗進行簡單模仿、體驗，重溫科學家的實驗研究過程。

2.1 項目1： 模擬斯帕蘭扎尼“鷹吞金屬籠、消化籠中肉塊”實驗 引導學生嘗試用家養的鴿子替代鷹，發揮奇思妙想，設計不同的材料替代金屬籠吞食。學生排除物理性消化而提出化學性消化，通過實驗直觀又形象地理解化學性消化的本質，順利進入酶的學習。

2.2 項目2： 模擬巴斯德、李比希、畢希納實驗 在“酶的本質探索”一節的科學史中，巴斯德提出發酵需要活酵母細胞參與，李比希認為發酵是酵母細胞死亡后釋放的某些物質引起。引導學生思考畢希納如何通過實驗來結束這一爭論。在此基礎上指導學生分別用不同的酵母細胞進行對比實驗，發現科學家爭論的本質問題。學生經過親身體驗、解決了問題(表1)。

表1 巴斯德、李比希和畢希納實驗比較

2.3 項目3： 模擬薩姆納實驗 人教版教材中對薩姆納提取脲酶科學史的介紹，只是簡單敘述了其歷經9年、嘗試各種方法，最終利用丙酮提取到刀豆中的脲酶，脲酶能催化尿素分解成氨和CO2，但并未介紹其具體的實驗過程和操作。那如何利用科學史的學習，更好地理解科學思維在科學探究中的作用，掌握正確的科學方法，體驗科技進步對科學發展的促進作用呢？通過引導學生查閱相關資料，了解和初步學習刀豆脲酶提取工藝。利用實驗室進行脲酶提取的實驗嘗試，學生經歷了刀豆的粉碎、過篩、乙醇提取、沉淀、離心、過濾和純化等實驗過程。在實施過程中及時調整設計方案，根據丙酮微毒性特性、改用乙醇替代丙酮提取液。充分地認識到薩姆納實驗成功的原因，是選用合適的實驗材料和正確的科學方法，進一步理解和領會脲酶(有機物)可通過有機溶劑來提取這一科學本質。

從薩姆納采用多種方法證明脲酶是蛋白質，到引導學生回顧蛋白質鑒定實驗中用雙縮脲反應來測定，再到測紫外吸光值及電泳后染色等現代技術手段來檢測脲酶，幫助學生更好地理解科學與技術的整合，體驗科學的本質。

2.4 項目4： 模擬切赫和奧特曼實驗 教材中切赫和奧特曼的實驗，只概述了“發現少數RNA也具有生物催化功能”。經引導學生查閱資料，了解到兩位科學家通過研究發現： 四膜蟲rRNA前體在沒有蛋白質存在的情況下能完成自我剪接，證明RNA具有生物催化功能。RNA酶種類較少、催化效率較低，中學的實驗條件有限，難以模擬切赫和奧特曼的實驗研究，可采用啟發學生設計相對簡化的探究實驗，來探究酶的化學本質，證明RNA也可作為酶，具有生物催化作用(表2)。

表2 模擬切赫和奧特曼實驗(探究酶本質的實驗)

本實驗通過對兩種不同酶溶液的檢測，驗證具有生物催化作用的酶的化學本質除蛋白質外還有RNA，幫助學生更好地理解酶的概念。模擬和體驗科學史的探究實驗有助于拓展科學概念的內含和外延，促進科學概念的發展。

3 創新科學史實驗，提升科學素養

科學史教學既基于事實又不局限于事實，教師可引導學生學習科學家的提出問題、設計實驗、呈現科學觀念、實驗檢測和總結評價等探究過程。學生根據自己提出的問題，自主設計實驗，準備實驗材料，進行相關實驗拓展。從簡單模仿到自主探究，進行智慧性地創新。通過創造式的學習和實踐過程中的發現探索，提高批判性思維，提升科學素養。

3.1 創新項目1： 如何設計實驗驗證巴斯德、李比希爭論的觀點對與錯 科學研究總是不斷地在爭論中產生共鳴，進而構建形成共識的科學認知。

例如，如何應用生物科學史中的爭論，啟發學生：“根據巴斯德、李比希兩位科學家的觀點，你會設計什么實驗來論證？”圍繞爭論焦點“酒精發酵的本質是生理過程還是化學反應”，讓學生寫出設計思路，預期實驗結果和結論，并開展探究實驗進行驗證，通過對實驗結果的分析，能得出酒精發酵的本質是酶催化的生物化學反應。

通過實驗理解巴斯德、李比希爭論的觀點是基于各自的研究背景，是特定的科學與技術發展為前提的，科學認知需要思維在不斷沖突和碰撞中得到升華。

3.2 創新項目2： 探究刀豆中脲酶的真面目 學習是為了獲取知識，提升認知。

例如，通過“酶本質的探索”一節科學史的分析和模擬實驗的學習，學生能理解酶的本質是蛋白質。但是，關于脲酶在刀豆中的作用，對刀豆種子富含脲酶的原因等表現出了極大興趣。教師再啟發學生進一步思考：“植物并不合成尿素，那么刀豆中的脲酶除了催化分解尿素外還有什么作用？刀豆種子富含脲酶，是用于分解刀豆種子代謝中產生的尿素，還是分泌到土壤中分解尿素便于刀豆吸收和利用？”

將這些問題轉化為探究性課題研究，通過課題拓展，讓學生從課內走向課外，從科學史學習走向未知的科學探索，培養科學創新意識和科技創新精神。

3.3 創新項目3： 刀豆、大豆和綠豆中脲酶的比較 科學史學習說明薩姆納是利用刀豆提取脲酶，由此啟發學生圍繞酶的提取、酶的特性等延伸探究，在認知酶的本質基礎上進一步學習和理解酶的特性。

例如，探究不同豆類脲酶的含量；探究不同豆類中脲酶活性影響因素(表3)；根據酶的特性，如何能提高土壤尿素的利用率，探究降低脲酶的活性、減緩尿素的分解應采取的措施。

表3 刀豆、大豆和綠豆中脲酶活性影響因素的比較

通過設置對比實驗，加強實驗設計能力，學生在探究實驗過程中掌握科學研究方法，提高科學思維能力，創新性地解決問題，更好地理解酶的本質與特性。

3.4 創新項目4： 家釀紅酒如何不易變酸？如何保存？如何與酶相關？ 科學的傳播和學習是為了學生聯系現實的生活體驗、理解和感悟，調動學生的主動性與積極性[2]。讓學生從科學史中走出來，融入自然和社會，學會探究。

例如，結合學生生活實際，引導學生思考酒變酸原因，是由于空氣中存在醋酸桿菌等微生物。空氣中的微生物醋酸桿菌會進入酒中經過發酵產生醋酸，而使酒變酸。再思考讓紅酒如何不易變酸，如何保存，如何與酶相關，引導學生學會提出問題、作出假設、設計實驗(擬定自變量與因變量、單一變量、對照實驗)、實施實驗、分析結果和得出結論。