挖掘教材實驗背后的科學思維

朱滿員

摘要 圍繞酶的實驗設計中反應類型和檢測方法的選擇及其本質與原理的剖析，充分運用了歸納演繹、評價比較、綜合分析、批判反思等科學思維，建構概念，提煉觀念，落實了生物學學科核心素養的培養。

關鍵詞? 科學思維酶活性實驗設計

中圖分類號 G633.91????????????? 文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2023）03-0081-03

科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。主要指歸納演繹能力、問題求解能力、決策力和批判力等，也是學生面對未來需要通過學科學習而逐步形成的關鍵能力。科學思維能力只能在高階思維過程中得到培養，需要情境、載體來落實，高中浙科版生物學教材中與酶有關的實驗——探究酶的高效性、探究酶的專一性、探究溫度與PH對酶活性的影響，以及驗證酶的催化作用，酶的化學本質和酶的固定化等，其因復雜多變的情境，需要運用演繹推理、比較選擇、綜合分析、評價批判等能力，是科學思維得以產生和發展的完美載體。

1? 歸納演繹法的體現

歸納和演繹是科學研究中運用最為廣泛的邏輯思維方法。歸納是從個別到一般的認識過程，而演繹則是從一般到個別的推理過程，演繹的一般知識往往來源于經驗的歸納。如在酶的發現史教學中，薩姆納首次提純并證明酶是一種蛋白質，后繼又提純了其他的酶，并證實都是蛋白質。所以酶曾經的定義是“活細胞產生的具有催化作用的蛋白質”。后因核酶的發現，酶的定義修改為“由活細胞產生的一類生物催化劑，大多數酶是蛋白質”。這是基于歸納法得出的結論。既然大多數酶是蛋白質，那么酶應具有蛋白質的所有特性：蛋白質具有多樣性，酶也應有多樣性；蛋白質有專一性，酶同樣應有專一性；蛋白質的作用方式就是酶的作用機理；蛋白質結構易受溫度、 PH 值及某些金屬離子的影響，酶也應亦然。由蛋白質的一般特性推導出酶的特性，這就是演繹法在科學探究中的應用。

日常生活中的所謂“經驗總結”及“據經驗判斷”就是一種歸納法與演繹法的“本土化”，人們常運用而不自知，這就需要教師來“捅破窗戶紙”，酶的教學就是這個契機，而不是等到孟德爾定律才開始讓學生了解“演繹推理法”。而且，越早掌握這種思維方法，學生就能越早受益，因為演繹推理保證推理有效的依據并不在于它的內容，而在于它的形式，即它對人的思維保持嚴密性、一貫性有著不可替代的校正作用。

2 比較評價權衡的運用

“極好”與“極差”是很容易選擇的，但在現實中常需要做的是“兩害相權或兩益相權”。深入理解是理性決策的前提，在有限的時間內理解信息并做出決策，是學生面對信息時代所必需的“心智技能”。在驗證酶特性的多種實驗方案中，培養學生的權衡決策能力是其中的重點之一。如驗證酶專一性的實驗設計中就涉及實驗方案的選擇（表1）。學生需要分析表中2個方案哪個可行還是都可行？為什么？若實驗目的改為“探究酶專一性”則實驗方案是否相同？如果實驗目的再改為“驗證淀粉酶具有專一性”呢？

這里的思考難點是：需要先比較“驗證酶專一性”“探究酶專一性”以及“探究淀粉酶的專一性”之間的區別，再權衡實驗目的與方案的匹配度。不同的實驗方案服務于不同的實驗目的，驗證酶專一性，是基于酶專一性的定義，即一種酶只能催化一種底物或少數幾種相似底物的反應。方案1中通過證實淀粉酶只能分解淀粉不能分解蔗糖，即淀粉酶具有專一性，從而不完全歸納出酶具有專一性；而方案2則通過證明淀粉酶能分解淀粉，而以蔗糖酶為代表的其他酶不行，從另一角度不完全歸納了酶具專一性。因此，“驗證酶專一性”時，方案1、2都可行。由此可得，要驗證淀粉酶具有專一性，只能用方案1而不能用方案2，因為方案2沒有證明淀粉酶不能分解其他物質。如果將實驗目的改為“探究酶的專一性”，原則上應將細胞中所有的酶都做一遍才能證明酶具專一性——完全歸納。但這是不可能的任務，只能不完全歸納地選兩種酶——淀粉酶、蔗糖酶來演繹探究。即在這里，“探究酶專一性”等同于“驗證酶專一性”。正是基于此，教材中包括空白對照，共設置6支試管，將方案1與方案2進行合并。

此外，探究酶專一性的實驗設計還涉及檢測試劑的選擇：從檢測的底層邏輯考慮，本實驗可選的檢測試劑有碘液與本尼迪特試劑，是“二選一”還是兩者都可？不行理由是什么？教學意圖是：①闡明檢測方法的底層邏輯，提升學生分析與解決問題的能力。②討論這2種檢測試劑在不同方案中的適用性，著重分析“落選”理由。③增加嚴謹性。本尼迪特試劑適用的一個前提是反應物不具還原性，設置空白對照的必要性就不言自明。若更嚴謹起見，還需要檢測酶溶液的還原性，甚至檢測淀粉、蔗糖及相應酶的純度，以防出現假陽性。

在后續“探究PH或溫度對酶活性影響”的實驗設計中，同樣涉及實驗方案、檢測方法與試劑的選擇。比較權衡能力的培養，需要像分析實驗方案與檢測方法一樣，既要引導學生去分析選擇的理由，也要分析不選的理由。有時是“長板”決定了選擇權重，有時卻是“短板”造成了“一票否決”。深入理解，多方權衡才能作出相對正確的選擇，這也是綜合素養中高質量地認識問題、分析問題、解決問題的重要體現。

3 質疑與批判的養成

科學思維的基本特點是以實證為判別尺度、以邏輯作論辯的武器、以懷疑作審視的出發點。科學思維不僅是對外的，即認識世界的方式，科學思維還是對內的，即對自己的認知。所以，沒有習慣于對自己認知的質疑與批判，科學思維的起點就不復存在，嚴謹、務實、謙遜的求知態度，也是“毛將焉附”。酶的本質與特性的探究過程本身，就是學生思考與質疑、分析與批判的對象。如驗證酶特性的實驗設計教學，從依據“酶絕大多數是蛋白質”推理出“酶具有專一性”“溫度或PH值會影響酶的活性”的特點；依據酶與無機催化劑的作用機理比較，即“無機催化劑通過與底物反應讓一個活化能高的慢反應變成了若干個活化能低的快反應來加快反應速率的，而酶與底物結合后，不僅活化了底物分子還大大增加了底物分子間的有效碰撞，因此酶的催化效率會比無機催化劑高很多”推理出酶具高效性。可再合理的推理也僅是一種推測，一種推測要上升為科學觀點，不僅要求推理過程是合邏輯的，還要有可靠的實驗證據來支持。所以教材便安排“探究酶的專一性”“探究酶催化的高效性”和“探究 PH 對過氧化氫酶的影響”的探究活動。崇尚“實證”，且是基于生物學學科認同的研究方法，可預測、可量化、可重復的實證，使得科學思維有別于其他思維。理解教材的編排意圖以及實證之于科學思維的意義，依托“從依據推理出觀點，再為觀點尋求實證”的論證模式設計教學流程，教師就會有意識地去挖掘實驗背后的批判意識，即與其等別人挑刺，還不如自行批判，而不僅僅是跟著試題與教輔材料走。

批判的意識與能力就是在對知識的批判性認識和理解過程中形成的，因而實驗教學是養成質疑與批判習慣的最佳途徑。畢竟，有質疑才會去追求科學的實證，幫助學生去“親歷”知識的發現與建構過程，本身也是深度學習過程。

4 教學感悟

酶實驗設計專題是在浙科版（2019版）必修一教材的基礎上又拓展了“驗證酶是催化劑”“酶的固定化”等實驗，內容多，綜合性強，基本作為酶的專題復習之用。而對酶本質與特性探究過程的“復盤”與“泡發”不僅幫助學生完善酶的知識體系，建構關于酶概念的完整認知，還實現了從概念到觀念，從能力到素養的升遷。

4.1從概念到觀念

某種概念的形成既需要比較與分類、歸納與演繹，也可能是分析與綜合、抽象與概括的結果。一個觀念的形成同理也需要許許多多概念的積累。本專題的重要概念當然是“酶是生物催化劑”，下層概念是“絕大多數酶是蛋白質”“酶具有專一性和高效性”以及“酶的催化功能受多種條件的影響”。這些概念都是在解決一系列實驗設計的過程中，逐步概括形成的。但止步于此，學生較難去考慮酶為何具有這些特性。如“酶的催化功能受多種條件（PH、溫度、輔酶等）的影響”，此特性怎么看都象是酶的“缺點”。但這真的是酶的“設計缺陷”嗎？恰恰是酶易受內外多種因素的影響，加之細胞中的一切代謝反應都置于酶的催化之下，調節酶的數量與活性便是細胞調節其生命活動的“不二法門。也就是說，是自然界選擇了酶易受多種因素影響的特點，使得細胞的代謝能“隨境應變”。獨特的進化視角使酶的“缺點”變成了“優點”。著名的生物學家杜布贊斯基曾說過，若無進化之光，生物學毫無道理。可見，進化論既是一種認知結論，也是一種認知方式，還是生物學學科獨有的、最有價值的生命觀念。讓學生學會運用進化論的觀點解釋生命現象，不僅是科學思維、深度學習的重要體現，也是形成生命觀念的重要途徑。

在解釋酶特性及輔酶存在意義中體現了進化與適應觀、生命的整體觀。除此之外，還運用了跨學科的觀念：①結構與功能觀。如酶的催化功能取決于酶的空間結構。②比較與權衡觀。如有關酶特性的實驗設計都是在不同實驗方案、不同反應類型及不同的檢測方法之間進行比較與權衡，從而選擇最優方案。酶的固定化方案也是在不同介質、不同固定方法的優點與缺點之間比較出最優解。③底層邏輯觀。所謂底層邏輯，就是從事物的底層、本質出發，尋找解決問題路徑的思維方法。反應檢測試劑的選擇、固定化酶方法的選擇都是從其底層邏輯出發來確定思考方向的。這些跨學科觀念的運用也有助于學科核心素養的落實，更是深度學習的標志。

4.2從能力到素養

能解決某個特定問題，是能力。能將解特定的問題的能力應用于生產、生活、教學等多領域，便是素養。素養可以看作是學識與能力的遷移，一旦習得終身受益。在“酶是生物催化劑”的教學中，學生動手實驗的實操能力固然重要，而且在科學發展的早期，生物學的許多理論都源于觀察與實驗。但隨著科學理論的豐富，現在更多的是理論去指導觀察，觀察無不滲透著理論。所以，讓高中生學會對實驗背后的原理進行綜合分析、比較權衡、質疑批判，更能涵養與豐富學生的科學素養。酶實驗設計的教學從進化論到跨學科觀念的應用，及許多的“為什么可以”“為什么不可以”“更好的方案是什么”等一系列問題的討論都是培養科學思維能力的“著力點”。所以，能力的培養、素養的養成，都離不開教師一課一言的滲透與默化。

總之，核心素養的形成是一個隱性而長期的過程，就需要教師挖掘教材中的高階思維過程，才能深刻理解生命的本質，孕育核心素養的萌芽與發展。酶的實驗設計教學凸顯了以質疑為思考視角、用邏輯作為論辯準繩、實證作為判斷尺度的科學思維，這是人類最高級的認知模式，當模式變成思維的范式與習慣，便為我們的頭腦裝入了一套“操作系統”，進而發展為伴其一生的科學素養。

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