基于實驗探究的生物學概念教學
——以“酶活性受溫度和pH等環(huán)境因素的影響”為例

楊紅蘭

（杭州師范大學附屬中學 浙江杭州 311121）

1 基于實驗探究的生物學概念教學的提出

生物學概念是對生命現(xiàn)象和生命規(guī)律的一個概括或者總結(jié)，在高中生物教學中具有舉足輕重的地位。它是組織生物知識的基本單位，也是形成和發(fā)展抽象思維的基本單位。在生物知識體系中，生物學概念是構(gòu)成生物學知識基本單位，是支撐生命觀念形成的基石。生物學概念教學的成效會直接關(guān)系到學生對知識的認知程度，影響到學生整體知識體系的建構(gòu)，最終影響到生物學學科核心素養(yǎng)的達成。高中階段的生物學概念大多比較抽象，專業(yè)性強。高中生由于認知和思維能力的不完善，對一些抽象的、不常接觸的概念不容易理解。在教學中，教師需要提供豐富的生物學事實和實驗證據(jù)，引導學生進行歸納和整理，主動建構(gòu)自己的概念體系，完成從感性認識到理性認識的轉(zhuǎn)變。

傳統(tǒng)生物概念教學，教學的著力點大都放在概念文本的理解上，比較忽視概念的形成過程。教師一般將概念的定義直接給出，然后從正例、反例、特例不同角度挖掘剖析概念的內(nèi)涵、外延。這種概念教學的好處是，學生可以在短時間內(nèi)學到大量的知識；弊端是，學生對習得的概念無法順利遷移，不能靈活運用生物學概念去解釋、解決生產(chǎn)生活中的實際問題。究其原因，學生沒有真正參與到概念的形成過程，只認識了概念的表象，沒有認識概念的本質(zhì)。學生要真正理解并掌握概念，就需要自己主動探索，建構(gòu)概念體系，控制對概念的本質(zhì)。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）明確提出了“教學過程重實踐”的基本理念，強調(diào)學生的學習活動是主動參與的過程，倡導通過探究性學習活動，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

生物學是一門實驗性學科，生物學概念大都建立在觀察與實驗的基礎(chǔ)上，實驗教學是生物學課程的特點。傳統(tǒng)的實驗教學一般都是先介紹概念再進行驗證，缺乏探究性，且缺少真實情境，無法真正激發(fā)學生自主探究的興趣。基于實驗探究的概念教學，是指將概念教學與現(xiàn)實世界中的問題有機結(jié)合，通過創(chuàng)設特定的問題情境，讓學生在實際問題情景中展開實驗探究，并在問題解決中完成概念的建構(gòu)。在該教學模式中，概念、問題、探究、實驗四個部分緊密相聯(lián)，問題中蘊含著概念，概念支撐著問題的解決、探究的開展，實驗是探究的載體，探究是實驗的核心。

2 基于實驗探究的生物學概念教學的基本流程

2.1 課前準備

教師根據(jù)教學任務的需要，從教材、生產(chǎn)、生活中挖掘?qū)W生感興趣的、蘊含著特定概念的探究內(nèi)容，設計出研究性課題，發(fā)放給學生，并在課前匯總學生探究的結(jié)果。教師要循序漸進地指導學生進行課前、課中探究。

學生自主選擇課題，以小組為單位，完成包括資料查閱、社會調(diào)查、課前實驗等科學探究任務。

2.2 課上探究

這是概念建構(gòu)的核心環(huán)節(jié)。教師以科學探究為主線，實驗活動為載體，科學思維為中心，幫助學生經(jīng)歷“問題—猜測—探究—理解—應用”的實踐過程，通過層層遞進的問題和活動，不斷加深對概念本質(zhì)的理解。具體過程如下。

2.2.1 問題情境，引出概念

教師結(jié)合學生課前探究的結(jié)果，創(chuàng)設真實的問題情境，引出新課的概念。學生針對情境中的問題，根據(jù)已有的概念或經(jīng)驗提出自己的推測和猜想。

2.2.2 探索研究，形成概念

各小組自行設計實驗方案，并利用教師提供的實驗藥品與器材，求證自己小組的推測與猜想。實驗結(jié)束后，各小組如實客觀地呈現(xiàn)與分析實驗數(shù)據(jù)或?qū)嶒灛F(xiàn)象，得出探究的結(jié)論，構(gòu)建新課的概念。在這個過程中，教師不參與指導，只是提供充足的材料，留出充裕的時間，放手讓學生探究，必要時可以適當引導與幫助。

2.2.3 理解體會，抽象概念

教師根據(jù)概念建構(gòu)的需要，精心設計引導性的問題，讓學生交流討論，這是學生思維碰撞的一個重要環(huán)節(jié)。交流內(nèi)容既可以圍繞實驗結(jié)果（找共性結(jié)果、分析異常現(xiàn)象等），也可以分享本次探究過程中的收獲，甚至可以組間點評。在這一環(huán)節(jié)中，學生通過傾聽、質(zhì)疑、綜合意見，逐步加深對概念本質(zhì)的理解，最后，通過小結(jié)，自然而然地歸納出本節(jié)課的概念。

2.2.4 應用拓展，深化概念

對概念的掌握并不是以能描述為最終目的，教師需要創(chuàng)設出基于生產(chǎn)生活的實踐案例，引導學生運用新建構(gòu)的概念嘗試進行解決，通過學以致用，深化概念。下面以“酶活性受到溫度和pH等環(huán)境因素的影響”這一概念的建構(gòu)為例，談談基于實驗探究的生物概念教學的教學實踐。

3 基于實驗的探究式生物概念教學的實踐

3.1 教學目標

“酶活性受溫度和pH等環(huán)境因素的影響”這一概念從屬于新課標概念2下面的一個次位概念，教學提示建議開展“探究影響酶活性的因素”的探究性實驗。根據(jù)核心素養(yǎng)發(fā)展目標，制定本節(jié)課的學習目標如下：

（1）能夠建構(gòu)起“酶的作用條件比較溫和”這一概念，并能運用這一概念到實際生活中，通過調(diào)控酶活性的影響因素來解決生產(chǎn)、生活中的實際問題。

（2）能夠習得概念建構(gòu)的科學方法，發(fā)展科學探究的能力，提升科學思維的品質(zhì)。

3.2 教學過程

3.2.1 課前準備

在上課前，筆者要求學生從身邊尋找跟酶有關(guān)的生物學現(xiàn)象或事件，并以小組為單位聯(lián)系生活或生產(chǎn)實踐，提出一個跟酶有關(guān)的探究性課題。如，其中有個小組提出：“蘋果削皮或榨汁后為什么會迅速變色，如何讓榨出的蘋果汁不變色？”學生探究欲望很強，查閱資料發(fā)現(xiàn)，這是生活中非常普遍的一種酶促褐變現(xiàn)象，主要是跟細胞中的多酚氧化酶的活性密切相關(guān)。除了蘋果，很多果蔬也存在褐變現(xiàn)象，如土豆、茄子、蓮藕等。因此，“降低果蔬褐變的發(fā)生率”這一課題對現(xiàn)在的凈菜加工行業(yè)有指導意義。基于以上想法，教師決定以“探究蘋果褐變的原因及降低褐變發(fā)生率作為課堂主線”，幫助學生建構(gòu)“酶活性受溫度和pH等環(huán)境因素的影響”這一重要概念。

學生以小組為單位，查閱并探究蘋果變色的原理，從生物學角度出發(fā)，提出延緩蘋果變色的措施。學習小組設計簡單實驗加以驗證（特別交代無關(guān)變量的等量控制），將將實驗過程和結(jié)果拍照或錄視頻上交。

3.2.2 課堂教學的基本過程

3.2.2.1 問題情境，引出概念

教師播放學生課前錄制的實驗視頻1：把一個蘋果削皮后均勻切成4塊，一塊放在白紙上，其余三塊分別浸泡在等量的檸檬水、清水和沸水中；分別觀察并記錄4塊果肉顏色的變化情況。實驗結(jié)果顯示：放在白紙上果肉一會兒就開始發(fā)黃變褐，而浸泡在清水、檸檬水和沸水中的果肉幾乎沒有顏色變化。

教師提出問題：

①為什么蘋果果肉會變色？究竟是什么導致蘋果果肉變色呢？

②浸泡在清水、檸檬水和沸水中的蘋果塊均不變色，基于這一現(xiàn)象你如何解釋？

通過褐變原因的介紹，教師順利引出導致蘋果果肉變色的幕后主使——酶（多酚氧化酶）。

教師繼續(xù)播放視頻1：將清水、檸檬水和沸水中的蘋果塊取出分別放在白紙上，10 min后，來自清水的蘋果塊褐變比較明顯，而來自檸檬水和沸水蘋果塊果肉顏色變化不明顯。教師提出問題：為什么浸泡過檸檬水和沸水的蘋果塊，暴露在空氣中也不變色了？學生根據(jù)已有的經(jīng)驗，提出“高溫和酸性環(huán)境可能使多酚氧化酶失活”的猜測。

教師告訴學生：理科觀點的提出一般需要實證的支持。剛才的猜測是“溫度和酸堿度會影響多酚氧化酶的活性”。為了驗證猜想否正確，可以通過科學地開展實驗來驗證。

3.2.2.2 探索研究，形成概念

學生以小組為單位，自行設計實驗方案，然后利用以下實驗器材，自行進行探究：質(zhì)量分數(shù)為1%的兒茶酚溶液、不同pH的緩沖液、蒸餾水、恒溫水浴鍋、冰塊、紗布、試管、榨汁機、量筒、燒杯、滴管、移液器等。

教師指導學生進行變量分析，完成表1；然后，指導學生完善實驗步驟，完成表2。

表1 變量分析表

表2 實驗記錄表

為方便比較不同組別兒茶酚溶液褐變的程度，按照表3設定褐變的4個等級（“+”的多少表示褐變等級的大小）。

表3 兒茶酚溶液褐變的程度

學生利用實驗室儀器和材料進行實驗操作。教師指導學生處理并分析數(shù)據(jù)，并按照圖1，以溫度或pH為橫坐標，褐變等級為縱坐標進行數(shù)學建模。

3.2.2.3 體會理解，抽象概念

教師提出系列問題，促進學生思考：

（1）結(jié)合圖1中曲線，概述溫度和pH跟酶活性的關(guān)系。

（2）請結(jié)合生產(chǎn)生活實際，舉出溫度和pH對酶活性產(chǎn)生影響的實例。

（3）多酚氧化酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，根據(jù)蛋白質(zhì)的特性，高溫、強酸、強堿以及低溫條件下，酶活性下降的可能原因是什么？

（4）課前探究中，部分組發(fā)現(xiàn)用白醋或檸檬酸與蘋果一起榨汁的實驗中，蘋果汁顏色還是在緩慢加深，這該如何解釋？

（5）課前探究中，有些組合嘗試用鹽水浸泡削皮的蘋果，發(fā)現(xiàn)防止褐變的效果也很好。對這一實驗結(jié)果，怎么解釋？

（6）通過本次實驗，你對酶的作用條件形成了哪些認識？

（7）結(jié)合酶的特性，請從生物學角度，提出防止蘋果褐變的措施。

3.2.2.4 應用拓展，深化概念（運用概念解決實際問題）

教師要求學生利用本堂課建構(gòu)的概念，周末回家鮮榨蘋果汁，要求請拍照上傳，附上榨汁的材料、處理的方法、實驗結(jié)果說明。

教師提出問題，要求學生出謀劃策：為防止褐變，有些凈菜加工基地超標準添加亞硫酸鈉等含硫食品添加劑，導致蔬菜制品中的二氧化硫超標，引發(fā)食品安全問題。他們迫切希望尋求到安全有效的護色保鮮方法。請利用本堂課建構(gòu)的概念積極獻計獻策。

在可能的情況下，學生走訪中國茶葉博物館，了解綠茶、紅茶等的加工工藝；走訪匯源果汁等果蔬加工基地，了解實際生產(chǎn)中的護色保鮮流程

4 教學反思

本節(jié)課是基于新課標“教學過程重實踐”“通過探究加深對生物學概念的理解”理念指導下，通過實驗探究進行概念教學的嘗試課。整個概念形成經(jīng)歷3個環(huán)節(jié)：課前，學生在生活原型中感知概念；課中，學生在探索交流中建構(gòu)概念；課后，學生在應用拓展中深化概念。由于實驗探究的問題是來自學生生活中的真實問題，學生探究熱情很高。通過真實問題的探究，學生不僅對概念本質(zhì)有了深刻地理解，更關(guān)鍵的是習得了概念建構(gòu)的科學方法，發(fā)展了科學探究的能力，提升了科學思維的品質(zhì)，強化了社會責任意識。當然，這種教學模式對教師也提出了更高的要求，無論是問題的收集還是探究活動的組織，都需要精心篩選和設計。