基于科學探究能力培養的二次實驗教學模式
——以“影響酶活性的條件”為例

商 文 薛艷芳

（1.廣州市天河外國語學校 廣東廣州 510627）

（2.廣州市第二外國語學校 廣東廣州 510540）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出學生應當具備的核心素養之一是“科學探究能力”。科學探究是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。學生應在探究過程中，逐步增強對自然現象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力；在探究中，樂于并善于團隊合作，勇于創新。

二次實驗法模式是一種基于建構主義學習理論，以及探究性教學模式發展而來的實驗教學模式，即針對教材中的一個實驗，進行兩次，給學生不同的體驗。第一次是傳統性的實驗（可以是驗證性實驗，也可以是定性實驗）；第二次是針對第一次實驗中產生的問題，依據同樣的原理或同樣的教學目的從不同角度或同一個角度，對實驗進行重新設計進行第二次的實驗（可以是探究性實驗，也可以是定量實驗）。它由理論學習——初次實驗——二次實驗——實驗評價等階段組成。二次實驗法模式的主要步驟如圖1所示。

圖1 二次實驗法模式主要步驟

1 二次實驗法模式的教學案例

以人教版生物學《必修1·分子與細胞》第五章第一節“酶的特性”相關的實驗“探究影響酶活性的條件”為例，探討二次實驗法教學模式在生物學實驗教學中的應用。

1.1 實驗課題分析

在學習該內容前，學生已了解了實驗設計中各種變量的含義。通過本課題的學習，學生將學會通過設定自變量、觀察因變量以及控制無關變量的變量設計方法進行科學實驗設計，從而加深對有關實驗原則的理解和對酶本質與特性的認識，進一步鞏固和提高提出問題、做出假設的能力，提高分析問題、解決問題的能力并掌握數學建模的方法，為后階段探究實驗的開展奠定基礎。

1.2 實驗過程

1.2.1 情境創設，任務驅動

教師提供資料，并提出問題:荔枝等水果之所以會變褐色，是由于細胞中多酚氧化酶作用下，產生了大量褐色物質所致。民間保鮮荔枝常常把荔枝在沸水中浸泡幾秒鐘或把荔枝浸泡檸檬酸2 min，從而可以延長果皮變褐色的時間。由以上資料分析，能提出什么值得探究的問題？pH是否會影響酶活性？

1.2.2 變量討論，確定方案

教師首先復習實驗設計的一般步驟以及實驗變量。然后，將全班分為兩大組，一組用淀粉酶做實驗，另一組用過氧化氫酶做實驗。教師要提醒學生在設計實驗時著重討論以下3個問題:

①實驗中自變量與因變量分別是什么？

②如何測定因變量？

③如何控制無關變量？

在討論階段，教師可重點組織學生探討:在因變量的測定上，使用淀粉酶做實驗材料的組別究竟是用碘液測定淀粉，還是使用斐林試劑測定還原糖？使用過氧化氫酶做實驗的組別用什么方法對氧氣進行測定？

該環節的設計主要目的是通過對實驗變量的討論，學生逐步掌握通過變量控制設計科學實驗的方法，并針對課本上有關使用過氧化氫酶探究pH的影響，使用淀粉酶探究溫度的影響的建議進行材料選擇的探究。表1與表2分別是兩個組別經過討論后最終確定的實驗方案。

表1 探究pH對淀粉酶活性影響的實驗步驟

表2 探究pH對過氧化氫酶活性影響的實驗步驟

1.2.3 初次實驗，提出問題

學生依據制定的方案，按照事先的分工，開展實驗。教師指導實驗，并參與小組討論。實施完第一輪實驗后，小組自我驗證質疑，分析實驗結果是否與假設相吻合。教師挑選有代表性的小組（淀粉酶組與過氧化氫酶組各派一個代表）到講臺上展示設計方案與結果。教師組織全班學生交流討論，圍繞實驗操作的方法以及實驗中出現的問題，引導其他學生進行分析評價。

1.2.4 解釋現象，得出結論

教師展示淀粉酶組用碘液鑒定淀粉時添加氫氧化鈉的試管中不會變藍的實驗現象，并給予學生發表各自獨特見解的機會。最后，適時補充碘與氫氧化鈉會發生反應，從而把碘消耗的化學知識。教師引導學生思考如何驗證解釋，使學生最后確定使用過氧化氫酶作為本實驗材料更好，通過排水法收集氣體更能準確反映酶的活性。這樣為下一步尋找最適pH提供實驗依據，并引導學生歸納得出實驗結論。該環節中，當實驗結果與預設不一致的時候，是最能激發學生興趣，積極探究的時刻。教師應當給予學生充分發表自己看法或解釋的機會。無論對錯，只要學生能發表自己的看法，教師就要給予積極的評價，從而提升學生發現問題，解決問題的能力。

1.2.5 提升思維，確定方案

教師引導學生討論、思考以下問題:

①如何才可以找到酶的最適pH？只取3個pH可以嗎？

②如何準確地測定氣體產生量？

③如何讓數據更準確一些？

學生通過小組討論，最終形成共識，并完成實驗步驟（表3）的設計:

①通過設置系列pH梯度來找到酶的最適pH。

②通過使用量筒排水收集氣體的方法，準確地測定氣體產生量。

③通過數據取平均值等方法可以讓數據更準確一些。

表3 探究過氧化氫酶最適pH的實驗步驟

由于該部分實驗操作較為復雜，需要教師演示實驗操作過程。該環節在完成定性實驗的基礎上，嘗試將實驗繼續深入到定量實驗，有利于提升學生思維的深度，同時也為后階段的定量實驗設計打下基礎。

1.2.6 再次實驗，記錄數據

學生按步驟實施實驗，記錄實驗結果。小組匯集實驗數據，小組派代表將數據書寫在黑板表格中。實驗過程中，教師巡視指導實驗。

1.2.7 構建模型，深化拓展

小組學生代表將實驗結果描繪在以pH為橫坐標、酶活性為縱坐標的坐標系上，并展示在黑板。最后，教師引導學生根據實驗結果得出最適pH的范圍。教師引導學生分析:除了pH對酶活性有影響外，還有哪些因素也可以影響酶的活性？并建議學生利用荔枝為實驗材料，自己設計實驗繼續探究溫度對酶活性的影響。

2 思考與啟發

“探究影響酶活性的條件”這節實驗課在教材安排中，是學生接觸到的第一個真正意義上自主開展探究的實驗課。其最主要的教學目標之一就是要讓學生學會使用控制變量的方法來設計科學實驗。

為了增強學生實驗設計的能力，教師采用兩次實驗操作的教學策略，讓學生能有機會在第二次實驗設計中，應用第一次實驗設計的經驗與總結，從而能更好地完善第二次的實驗設計。由第一次的定性實驗提升到第二次的定量實驗，既充分鍛煉了學生實驗設計的能力，也使得學生的思維得到更進一步的加深。

高中生物教材中有許多實驗都可以嘗試開展二次實驗教學的模式，除了“探究影響酶活性的條件”外，“探究植物細胞的失水與吸水”“探究提取和分離綠葉中的光合色素”等探究實驗也都適合此種實驗教學模式。