PBL模式下的高中生物學科學史教學

杜金燁 張鋒

摘 要 以“關于酶本質的探索”一節為例，基于PBL教學法開展高中生物科學史教學，巧設問題情境啟發學生自主學習、合作探究，通過問題的逐級遞進，在分析和解決問題中促進學生深度思考。

關鍵詞 PBL教學法 生物學科學史 酶的本質 生物學教學

PBL教學法（Problem based leaming）是以問題為導向的啟發式教學法，強調學生自主發現問題、分析問題、探尋問題解決的策略，教師由知識的傳授者轉變為知識建構的協助者，凸顯學生主體地位。高中生物學科學史的教學不應局限于呈現靜態發展過程，更應注重動態演變過程，即不局限于傳授知識本身，而是揭示科學思維與方法，挖掘蘊含的科學本質。基于PBL教學法的高中科學史教學，學生通過自主構建知識，小組合作探究，促進對生物學概念的深刻理解，進一步達到深度學習。

1 前端分析，教材和學情分析

I.I 教材分析

“關于酶本質的探索”是人教版《必修1.分子與細胞》第五章第一節的內容，本章節是在了解細胞功能中細胞與外界環境進行物質交換的基礎上，進一步闡明細胞如何從外界獲取能量并利用能量維持生命活動。作為本章節第一節，介紹了酶在細胞代謝中的作用、酶的本質和酶的3個特性，為后續具體生命活動的展開鋪墊。其中，關于酶的本質的相關內容的強調重走科學之路，發展學生思維能力，使其形成科學思想和科學方法。

1.2 學情分析

在生物學科學史的教學過程中，教師除了要考慮知識的深度和內在邏輯，還應把握學生的認知規律。學生在初中階段已經學習了消化酶的相關知識，但對于酶的本質是什么以及酶的探索歷程仍感到陌生。部分學生在學習前存在錯誤的前科學概念，認為酶的本質是蛋白質。教師應聚焦前科學概念，給予學生自主學習空間，引導學生基于感性知識建構理性知識。

1.3 教學目標

（l）通過舉例說明酶的本質，理解酶的概念。

（2）通過自主收集資料和小組協作，提高解決實際問題，交流與表達的能力。

（3）通過分析和討論科學史實，掌握科學探究的基本思路和方法。

（4）通過酶本質探索歷程的學習，認同科學需要質疑、創新和勇于實踐的科學精神和態度。

2 課堂授課

2.1 巧設問題情境，激發學習動機

教師創設真實問題情境，激發學生興趣，引發學生的認知沖突。問題是學習的觸發器，學生只有置身于真實問題情境中，才會產生最根本的學習動力。課堂開始之前，教師播放釀酒過程的短視頻，并提出問題：現今釀酒業發達，釀的酒醇香而易于保存，但在19世紀的歐洲經常會遇到酒變酸的情況，為什么會出現這種情況？教師基于學生的各方面能力分配好互補型學習小組，每組6-8人，給予一周的時間進行自主學習，以組內自學為主和組間溝通為輔。

2.2 自主學習，產生知識遷移

學生以問題情境為導向，以資料分析為基礎，有目的地通過圖書館等網絡平臺查閱相關資料，用已有知識整合新知識，構建新的知識網絡體系。學生基于生活經驗，知道釀酒需要酵母的參與，開始查閱相關的科學史。從巴斯德和李比希的爭論、畢希納釀酶的發現、到薩姆納脲酶的提取及核酶的發現，學生對所查閱到的科學史資料并不能全盤吸收。此時，學生以小組協作形式進行交流討論和分享，產生知識之間的碰撞與聯結，得到問題解決的新思路。

2.3 課堂互動，進行思維觸碰

學生是課堂的主體，教師起搭建腳手架的作用，使學生零散的知識系統化。課堂的展開以問題情境為導向和主線，在該過程中將總問題進行細化，以“發現問題一解決問題一出現新問題一解決新問題”的方式進行，形成PBL教學模式的良性循環。

問題一：酒為什么變酸？

課堂上，教師引導學生以酒為何變酸展開討論：巴斯德認為酒精發酵是純化學反應還是生命活動過程？如何證明其觀點？酒精發酵需要什么物質的參與？教師將問題細化和拆分，激發學生對信息的提取和組織。基于查閱到的資料，學生明白酒變酸是醋酸菌所起的作用。教師引導學生回顧巴斯德作為微生物學家，把目光聚焦在微生物領域，使學生發酵與微生物生命活動有關，并舉曲頸瓶肉湯實驗為例來進一步說明。

教師追問：李比希作為化學家，他的觀點是什么？他傾向于從什么角度思考問題？有什么支撐他的觀點？學生通過對收集資料的分析，以表格的形式總結和比較巴斯德和李比希的觀點（表1），闡述兩者之間的利弊，并認同正是由于巴斯德和李比希的爭論才推動了科學的發展。

問題二：發酵是生命作用還是物質作用所引起？

德國化學家畢希納平息了兩位偉人的爭論。學生分析得出：他并不是專門研究酒精發酵，而是研究酵母汁的藥用價值。教師追問：為了研究酵母汁的藥用價值首先應該做什么？畢希納是如何發現酵母汁可以催化蔗糖發酵？他是如何巧妙地處理實驗材料？巴斯德做了相同的實驗，為何兩者的結果卻大相徑庭？學生發散思維，小組代表回答，對于實驗過程的描述，教師可對每一個步驟適當的提問，以此深化學生的理解。例如，為什么要加石英砂研磨？為什么要加壓過濾？

學生對巴斯德和畢希納實驗結果呈現差異產生疑惑，教師及時起到腳手架的作用，闡明：巴斯德所用的巴黎酵母是蔗糖酶缺陷型，而畢希納的慕尼黑酵母則保持蔗糖酶的活力，說明實驗材料的正確選擇是成功的一半。畢希納進一步將引起糖類發酵的物質稱為釀酶。

問題三：酶的本質是什么？

基于當時的科技水平，科學家仍然無法提取純酶，對于薩姆納將要提純酶更覺得是無稽之談。隨著科學技術的發展，歷經9年，薩姆納終獲成功。資料中對薩姆納的實驗過程并未展開描述，教師借此引導學生設計出實驗過程：薩姆納選擇的實驗材料是什么？實驗方法和原理是什么？如何證明提取到的物質是脲酶？如何鑒定脲酶是蛋白質？每個小組展示實驗方案，在實驗方案對比過程中完善實驗方案。學生對于理解實驗原理及如何驗證產生了脲酶較困難，教師及時對知識進行深化和拓展。基于薩姆納利用化學的相似相容原理在實驗過程中利用丙酮做溶劑中出現了脲酶結晶，啟發學生學科之間的相互滲透：根據脲酶能夠使得尿素分解成二氧化碳和氨的特性來鑒定提取到的結晶是否是脲酶。

教師提出問題：為什么當時科學家認為酶的本質都是蛋白質？引導和啟發學生利用歸納的方法，從個別到一般進行總結：前提：胃蛋白酶的本質是蛋白質;胰蛋白酶的本質是蛋白質;胰凝乳蛋白酶的本質是蛋白質……（在當時所發現的酶中不存在例外）胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等都是酶。結論：酶的本質是蛋白質。

問題四：酶的本質都是蛋白質嗎？

該部分的內容在教材中未呈現出具體的科學史，教師基于學生的認知能力，自行呈現相關資料。學生知道切赫和奧特曼分別利用四膜蟲和大腸桿菌作為實驗材料并且獲得了成功，但對于具體是如何通過實驗來驗證的，仍存在疑惑。教師以圖解的方式呈現（圖1），即不增加學生的負擔，又可使科學史的歷程保持完整性。

教師提出問題：由于當時酶的本質是蛋白質的觀點的權威性，切赫懷疑蛋白質沒有去除干凈。于是，切赫重復進行實驗，在保證蛋白質完全去除的情況下，實驗結果仍然相同，這說明了什么？啟發學生發散性思考，得出：rRNA可以自我催化降解，因此RNA也是一種酶。

教師追問：奧特曼從事大腸桿菌提取tRNA合成研究，此過程中發現了生物合成tRNA的中間產物，這說明了什么？

學生：存在一種中間產物，則意味著存在一種酶將其催化分解成該中間產物，進一步研究發現該酶為RNA酶。

教師：兩位科學家利用不同的實驗材料，但均證明RNA分子也具有生物催化功能，他們也因此獲得了諾貝爾化學獎。從中你可以得到什么啟發？

學生：科學的發展是永無止境的，要勇于向權威挑戰。

2.4 總結與歸納

教師引導學生利用概念圖的形式歸納酶本質探索的科學史，以科學史為據協作討論給酶下一個正確的定義。學生基于科學史，下的定義并不完善大致包括：①酶的本質是蛋白質和RNA。②大部分酶是蛋白質少部分是RNA。③酶是具有催化作用的蛋白質和RNA。教師不能否定學生的定義，應引導學生溫故吐新，從酶的來源、作用和本質三方面相結合給酶下一個完整的定義。

參考文獻：

[l]郭曉強，馮志霞.無細胞酵解的發現及意義[J].醫學與哲學（人文社會醫學版），2008（3）：69-70.

[2]郭曉強.酶的研究與生命科學（一）：酶本質的理解和認識[J].自然雜志，2014，36（3）：208-217.