立足學(xué)生認知 提升科學(xué)探究能力
——以“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”為例

（江蘇省泰州市姜堰區(qū)羅塘高級中學(xué) 江蘇泰州 225500）

科學(xué)探究作為生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)內(nèi)容之一，是體現(xiàn)當代中學(xué)生綜合素質(zhì)的重要指標。生物學(xué)是一門基于科學(xué)探究能力發(fā)展起來的學(xué)科。在生物學(xué)教材中，有很多科學(xué)發(fā)現(xiàn)都可以作為提升科學(xué)探究能力的載體。例如，教材在“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”的發(fā)現(xiàn)史中，就列舉了多位科學(xué)家通過因果遞進的系列探索揭示酶化學(xué)本質(zhì)的過程，并介紹了如何通過一系列實驗設(shè)計來探究酶在細胞代謝中的作用、酶高效性、專一性、需要適宜的溫度和pH。教學(xué)要達到學(xué)生積極思考、真實探究的境界，教師所設(shè)置的問題和教學(xué)情境一定要立足于學(xué)生的認知順序、認知疑點、認知難點、認知沖突等，方能實現(xiàn)真正的探究性實驗教學(xué)。

1 根據(jù)學(xué)生的認知順序，調(diào)整教材的教學(xué)順序

現(xiàn)有的某版本教材設(shè)置是從酶的作用和本質(zhì)入手，通過比較過氧化氫在不同條件下的分解，說明酶的作用機理，然后再通過資料分析，解讀出酶的化學(xué)本質(zhì)。然而，學(xué)生通常都是從感性上分析出酶是一種什么樣的物質(zhì)，才能產(chǎn)生探究其功能的動力。這種順序偏離了學(xué)生通常的認知順序：發(fā)現(xiàn)→本質(zhì)屬性→作用或功能探究→影響因素的分析與實驗驗證。在教學(xué)中，教師可調(diào)整教材設(shè)計的順序，將資料分析中的現(xiàn)象作為探究的情景，設(shè)計問題，要求學(xué)生思考設(shè)計探究實驗的方案。若學(xué)生覺得難度較大時，可引導(dǎo)學(xué)生閱讀科學(xué)家設(shè)計的實驗思路，并以此設(shè)問其設(shè)計的目的及優(yōu)點。具體設(shè)計思路見表1。

表1 “酶的發(fā)現(xiàn)歷程”的教學(xué)設(shè)計思路

在學(xué)生分析、討論的基礎(chǔ)，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納酶的概念：酶是活細胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機物，其中大多數(shù)是蛋白質(zhì)。為了便于學(xué)生更加深入理解酶概念的內(nèi)涵與外延，教師可設(shè)計問題：酶合成的場所在哪？酶的化學(xué)本質(zhì)是什么？其基本單位是什么？如何進行檢測？聯(lián)系生活實際，思考酶離開活細胞能否發(fā)揮催化作用？學(xué)生通過對上述問題的求解，可以更加完善酶概念的內(nèi)涵與外延。

2 順著學(xué)生的認知疑點，設(shè)計實驗進行探究概念本質(zhì)和酶的高效性

在獲知酶的概念之后，學(xué)生就會產(chǎn)生一系列的認知疑點：怎么驗證酶具有催化作用呢？酶是怎么發(fā)揮催化作用的呢？與無機催化劑相比，酶的催化效果如何呢？教師可以順著這些認知疑點，設(shè)計實驗，逐步完善學(xué)生的認知。

在過氧化氫在不同條件下分解實驗的教學(xué)中，教師可列表設(shè)計出四組試管中添加的物質(zhì)以及處理方式（表2），提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：①對照組是哪一支試管？②試管2、3、4分別與試管1對照，能得出什么結(jié)論？③試管3、4加入的均屬于催化劑，與試管2一樣均可促進H2O2溶液的分解，其作用原理與90℃水浴加熱是否相同？

表2 H2O2在不同條件下分解的實驗設(shè)計

對于問題③的分析，學(xué)生難以理解清楚。這時，教師可借助于活化能的概念，提出問題，促進學(xué)生思考：分子要參加反應(yīng)需要什么條件？達到活化能所需的能量一般來自于什么？活化能的高低與化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的難易程度有何關(guān)聯(lián)？學(xué)生聯(lián)系化學(xué)學(xué)習(xí)中有些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生需要加熱的條件，可判定出：活化能所需的能量一般是吸收周圍環(huán)境的熱量，活化能越高，加熱的溫度越高，反之可在常溫下進行。就此，學(xué)生即可領(lǐng)悟出90℃水浴加熱之所以加速H2O2溶液分解的原因：通過加熱，提供能量給H2O2分子，使其達到所需的活化能，從而快速分解。如何引導(dǎo)學(xué)生分析試管3、4中H2O2分解加快的原因，是教學(xué)的重難點。教師可設(shè)計問題：作為催化劑的FeCl3、H2O2酶能否像試管2那樣提供能量，有助于H2O2分子達到活化能呢？學(xué)生根據(jù)達到活化能所需能量的來源，很容易得出答案。然后，教師再聯(lián)系活化能的高低與化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的容易程度，設(shè)計問題：催化劑的作用與活化能的變化有何關(guān)聯(lián)？引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)人教版必修1教材中第80頁圖5-1、5-2展開討論分析，即可得出催化劑作用的機理為通過降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，促進化學(xué)反應(yīng)的進行。

為了研究酶催化具有高效性，教師可引導(dǎo)學(xué)生分析試管3與4的比較，提出問題：既然作為催化劑的FeCl3溶液和酶，都是通過降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)的進行。為何試管4反應(yīng)速率遠遠高于試管3呢？從而引導(dǎo)學(xué)生歸納出酶降低活化能的作用遠高于無機催化劑，說明酶的催化具有高效性。

通過“催化性→活化能→高效性”這些疑點逐個突破的過程，教師還可指導(dǎo)學(xué)生掌握實驗設(shè)計中變量控制方法以及實驗設(shè)計需要遵循的原則，為進一步探究酶的專一性和影響因素打好基礎(chǔ)。

3 緊扣學(xué)生的認知難點，設(shè)計實驗探究酶的專一性

美國教育家艾里克森說過，如果沒有理解一個概念的難點，概念的學(xué)習(xí)只能停留在較低的認知水平，學(xué)生也就只能對相關(guān)的事實進行死記硬背。這就需要教師在課堂教學(xué)中緊扣學(xué)生在概念認知中的難點，明確探究的方向，精心設(shè)置問題情景或材料情境，給與學(xué)生充分的選擇空間，在嘗試中選擇實驗方案，利用批判性思維指導(dǎo)學(xué)生展開討論，最終引導(dǎo)學(xué)生自由成長。

在進行“酶專一性”的教學(xué)中，教師首先可引導(dǎo)學(xué)生閱讀酶作用專一性的概念：每一種酶只能催化一種或一類化學(xué)反應(yīng)。其中“一對一的關(guān)系”是這個概念的認知難點，也是探究的核心問題。為了在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生理解該問題的實質(zhì)，教師可提供淀粉酶、淀粉溶液、蔗糖酶、蔗糖溶液、碘液、斐林試劑等以及其他必需的實驗器材，要求學(xué)生設(shè)計驗證專一性的實驗。教師要提醒學(xué)生特別注意檢測試劑的選擇，并引導(dǎo)學(xué)生分析出選擇與否的原因。大多學(xué)生很容易設(shè)計出同一種酶催化兩種不同的底物，如取兩支試管，依次加入等量的淀粉溶液、蔗糖溶液以及等量淀粉酶或蔗糖酶。對于檢測試劑的使用，一部分學(xué)生選用碘液，一部分選用斐林試劑。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論表明，學(xué)習(xí)應(yīng)該是認知主體的內(nèi)部心理過程，學(xué)生才是信息加工的主體。因此，對于學(xué)生的選擇，教師不要急于給出判斷，而是要求學(xué)生說出選用的理由。在批判與修訂中完成結(jié)果的分析，在對第一種實驗方案分析之后，教師還可以提出疑問：還有沒有另一種方案呢？經(jīng)過討論之后，學(xué)生會提出不同酶催化相同底物：由于存在淀粉和蔗糖這兩種底物，因此，又存在兩種實驗，即底物均為等量的淀粉或蔗糖溶液，兩支試管中依次加入等量的淀粉酶、蔗糖酶。實驗結(jié)果的檢測同樣需要學(xué)生分析出理由。最后，教師可聯(lián)系蛋白質(zhì)多樣性的特點以及蛋白酶可催化所有蛋白質(zhì)水解，從而促進學(xué)生理解每一種酶可催化一類化學(xué)反應(yīng)的進行。

4 創(chuàng)設(shè)學(xué)生的認知沖突，設(shè)計實驗探究溫度、pH影響酶的活性

認知沖突是指認知主體已有認知結(jié)構(gòu)與新知識或新情境之間不能包容，或不同認知主體對某一問題存在不同看法的現(xiàn)象。在教學(xué)中，教師可引導(dǎo)學(xué)生將基于對生物學(xué)認識的預(yù)期判斷與已有的認知結(jié)構(gòu)或內(nèi)容進行碰撞，使學(xué)生形成認知沖突，再加以點撥，以服務(wù)于教學(xué)。

影響酶促反應(yīng)速率的因素除了底物和酶的濃度之外，酶活性的控制同樣重要。因此，教材中設(shè)計了溫度、pH影響酶活性的實驗。教師可給肝臟研磨液（含過氧化氫酶）、過氧化氫溶液、淀粉酶、可溶性淀粉溶液等實驗材料，以及碘液、斐林試劑檢測試劑，提出問題：若進行探究溫度影響酶活性實驗中，可選擇哪一組實驗材料，為何不選另一組材料？教師可引導(dǎo)學(xué)生回憶酶高效性的探究過程，引導(dǎo)學(xué)生捕捉到“過氧化氫在受熱情況下會自動分解”的點，讓他們產(chǎn)生“高溫下的過氧化氫水解是溫度變高，還是酶活性變強的緣故呢？”的認知碰撞。這樣，學(xué)生就會在探究溫度影響酶活性實驗中，棄選肝臟研磨液（含過氧化氫酶）與過氧化氫溶液，而選擇淀粉酶。但對于探究pH影響酶活性實驗材料、鑒定試劑的選擇，學(xué)生卻無法準確選擇，教師可補充適當?shù)恼J知基礎(chǔ)：淀粉為高分子化合物，一定條件下可以水解，可加入稀硫酸并加熱。在這樣的認知基礎(chǔ)引導(dǎo)下，學(xué)生同樣會產(chǎn)生“酸性條件下淀粉的水解是H+的催化，還是淀粉酶的催化呢？”的認知碰撞，從而順理成章地選擇肝臟研磨液（含過氧化氫酶）與過氧化氫溶液作為實驗材料。學(xué)生在提供選擇與棄選的理由時，辯證性思維既能得到充分地錘煉，也能更好地理解實驗設(shè)計的科學(xué)性與嚴謹性，從根本上提高科學(xué)探究能力。

學(xué)生的認知是再學(xué)習(xí)的基石，探究能力的培養(yǎng)是提高社會適應(yīng)能力的保障，教學(xué)的最終目標是要通過引導(dǎo)學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)，提高其對未知事物的探究、發(fā)現(xiàn)和利用能力。教師在教學(xué)中，要立足于學(xué)生的認知，根據(jù)認知邏輯，順著認知疑點，緊扣認知難點，創(chuàng)設(shè)認知沖突，引導(dǎo)學(xué)生分析、探究未知知識，以提高其應(yīng)用新知識的能力。