基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

【摘" 要】 通過學(xué)習(xí)生物這門學(xué)科，教師希望培養(yǎng)出一批又一批具有良好品質(zhì)、優(yōu)秀學(xué)習(xí)能力以及適應(yīng)未來發(fā)展的學(xué)生，使學(xué)生能夠更好地為國家的科研貢獻(xiàn)一份力量，為自己的未來奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。上海高中階段生物學(xué)科新教材《分子與細(xì)胞》中“酶催化細(xì)胞的化學(xué)反應(yīng)”這一節(jié)的內(nèi)容，在傳統(tǒng)教學(xué)中更側(cè)重科學(xué)探究、科學(xué)思維這兩個(gè)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，無法提高學(xué)生解決社會(huì)實(shí)際問題的責(zé)任感。針對(duì)這一情況，文章本著核心素養(yǎng)養(yǎng)成的目的，對(duì)“酶催化細(xì)胞的化學(xué)反應(yīng)”進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】 核心素養(yǎng)；知識(shí)框架；思維習(xí)慣

一、教材分析

該節(jié)課是高一學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，這方面的知識(shí)是學(xué)生在學(xué)習(xí)了有關(guān)“蛋白質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)及功能”“細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)與功能”“細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)與功能”的基礎(chǔ)知識(shí)后展開的學(xué)習(xí)，這方面的學(xué)習(xí)對(duì)教師和學(xué)生來說有著諸多優(yōu)點(diǎn)，例如能夠引起學(xué)生的興趣、加深學(xué)生的理解、拓寬學(xué)生的知識(shí)面以及形成系統(tǒng)的知識(shí)框架，但是最重要的一點(diǎn)是發(fā)展了學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀。該節(jié)課的內(nèi)容較多，涉及了酶的概念、特點(diǎn)以及影響酶活性的因素。在高中生物學(xué)習(xí)的過程中，有關(guān)酶的內(nèi)容是非常重要的，其相關(guān)知識(shí)為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)細(xì)胞呼吸、光合作用、轉(zhuǎn)錄與翻譯等知識(shí)做了鋪墊，對(duì)學(xué)習(xí)第三、四章的知識(shí)發(fā)揮了承上啟下的作用，有助于學(xué)生養(yǎng)成良好的生物思維習(xí)慣。

二、教學(xué)目標(biāo)

（一）建立生命觀念

教師組織學(xué)生觀看“ATP合酶催化形成ATP”等PPT以及動(dòng)畫，在觀看的過程中，教師引入酶的概念，解釋酶的專一性特點(diǎn)，幫助學(xué)生建立起生命觀念。

（二）進(jìn)行科學(xué)探究

教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，使學(xué)生進(jìn)一步了解酶的特點(diǎn)。學(xué)生通過“酶的催化作用”實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了觀察、提問、小組合作以及交流結(jié)果等科學(xué)探究的能力。

（三）養(yǎng)成科學(xué)思維

學(xué)生嘗試?yán)L制不同因素對(duì)酶促反應(yīng)影響的曲線圖，在觀察、比較、分析和討論等過程中，學(xué)生發(fā)展了科學(xué)歸納、概括與建模的科學(xué)思維，并鍛煉了使用生物學(xué)語言描述生物學(xué)事實(shí)的能力。

（四）具有社會(huì)責(zé)任

學(xué)習(xí)生物這門學(xué)科的目的是回歸現(xiàn)實(shí)生活，利用科學(xué)知識(shí)為社會(huì)做出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。在這節(jié)課中，學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)解決了“如何提高塑料降解酶、分解塑料的效率”這一生活實(shí)際問題，提升了學(xué)生關(guān)注社會(huì)問題的意識(shí)、增強(qiáng)了文化自信與社會(huì)責(zé)任感。

三、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，導(dǎo)入新課

在教學(xué)的過程中，教師教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)在于帶領(lǐng)學(xué)生沉浸式地學(xué)習(xí)，提高教學(xué)效率，這需要教師聯(lián)系生活實(shí)際，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的情境。針對(duì)“酶”這一方面內(nèi)容的學(xué)習(xí)，教師為了創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的情境，可以將酶和現(xiàn)實(shí)生活中常見的問題——“白色污染”相聯(lián)系。由于學(xué)生對(duì)生活垃圾造成的危害，大多有著直觀、深刻的感受，因此也會(huì)更在乎解決該問題的措施。在教學(xué)過程中，為了激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)力和自信，教師設(shè)置的情境的合理性和真實(shí)性極其重要。對(duì)此，教師首先展示了塑料垃圾對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的惡劣影響，然后拋出問題“該如何高效降解塑料垃圾”，引發(fā)學(xué)生的思考。利用新聞報(bào)道“塑料降解酶”，從而引出“酶是什么”，激起學(xué)生對(duì)酶的好奇心。

（二）酶的概念

1. 學(xué)生實(shí)驗(yàn)

根據(jù)學(xué)案，探究酶的作用及特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)步驟1：在1—3號(hào)試管中各加入5ml 3%的H2O2；實(shí)驗(yàn)步驟2：再在1—3號(hào)試管中，分別加入1ml蒸餾水（1組）、1ml FeCl3（2組）以及1ml的新鮮豬肝勻漿（3組）。學(xué)生觀察并比較各試管產(chǎn)生的氣泡量，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1號(hào)試管的作用是什么？1、2組的對(duì)照說明了什么？1、3組的對(duì)照說明了什么？1、2、3組的對(duì)照說明了什么？小組代表展示，并交流實(shí)驗(yàn)結(jié)論：1號(hào)試管是對(duì)照組；1、2組對(duì)照說明，無機(jī)催化劑FeCl3能夠催化過氧化氫的分解；1、3對(duì)照說明，過氧化氫酶也可以催化過氧化氫的分解。這時(shí)，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的處理進(jìn)行提問：“為什么要把肝臟研磨處理？說明酶是在哪里產(chǎn)生的？”然后教師展示過氧化氫酶、核酶等結(jié)構(gòu)圖，繼續(xù)拋出問題：“酶的化學(xué)本質(zhì)是什么？”（答案：大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)酶是RNA）學(xué)生相互交流、討論和構(gòu)建，得到酶的概念模型。

2. 設(shè)計(jì)意圖

教師以“白色污染”這一社會(huì)問題引入了“酶”的學(xué)習(xí)，激起了學(xué)生的學(xué)習(xí)求知欲。教師將演示實(shí)驗(yàn)變成學(xué)生實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠通過親歷實(shí)驗(yàn)，將理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。理論是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)是理論的驗(yàn)證。對(duì)于生物這門學(xué)科來說，兩者相輔相成、不可分割。學(xué)生只有在實(shí)驗(yàn)的過程中才能觀察到一些有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，才能更加深刻地了解生物這門學(xué)科。學(xué)生在親手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過后，才能整合圖片資料、解決教師的問題串，從而建構(gòu)酶的概念模型。在實(shí)驗(yàn)的過程中，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行了分組，小組合作不僅可以節(jié)省教育資源、提升教學(xué)效率，還能培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究、合作實(shí)驗(yàn)探究以及邏輯分析的能力。

（三）酶的特點(diǎn)

1. 酶的高效性

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的1、2、3組對(duì)照得到的結(jié)論（過氧化氫酶的催化效率高于FeCl3）以及教師提供的相關(guān)資料（經(jīng)計(jì)算，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鐵溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的肝臟研磨液，每滴氯化鐵溶液中的Fe3+數(shù)，大約是每滴研磨液中過氧化氫酶分子數(shù)的25萬倍），總結(jié)出了酶具有高效性的特點(diǎn)。接下來，教師展示梅西踢足球的動(dòng)畫，引導(dǎo)學(xué)生從“能量供應(yīng)”與“細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)”兩個(gè)角度進(jìn)行思考：酶的高效性有什么意義？學(xué)生共同討論、交流，最終得出酶的高效性的意義：首先，保證反應(yīng)的高效進(jìn)行；其次，保證能量供應(yīng)的穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)意圖：利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀感受以及資料中酶與Fe3+的差異數(shù)據(jù)，學(xué)生可以總結(jié)出酶具有高效性的特點(diǎn)，并能夠初步形成利用數(shù)據(jù)佐證結(jié)論的科學(xué)思維意識(shí)。

2. 酶的專一性

教師展示“鎖鑰學(xué)說”和“誘導(dǎo)契合學(xué)說”動(dòng)畫，設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：“兩個(gè)學(xué)說有什么共同點(diǎn)？”（答案：在這兩種學(xué)說中，酶均可以與底物進(jìn)行結(jié)合、催化）利用這一問題，教師引出了活性中心的概念：酶分子與底物結(jié)合的過程中，能夠起催化作用的空間區(qū)域。學(xué)生嘗試用學(xué)科術(shù)語表述酶的專一性概念：底物只有在與酶的活性中心契合時(shí)，才能被催化。教師接著追問：“兩個(gè)學(xué)說又有什么不同點(diǎn)？”（答案：誘導(dǎo)契合學(xué)說中的酶在與底物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的改變）使學(xué)生初步建立結(jié)構(gòu)與功能觀。小組活動(dòng)：學(xué)生觀察ATP合酶催化形成ATP的動(dòng)畫，嘗試用生物學(xué)語言描述ATP合酶在整個(gè)過程中的關(guān)鍵變化（答案：ATP合酶與底物結(jié)合時(shí)，酶的空間結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，形成酶－底物復(fù)合物，催化形成ATP后，酶與產(chǎn)物分離，酶的結(jié)構(gòu)恢復(fù)），建立起結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用多組動(dòng)畫進(jìn)行酶的專一性教學(xué)，層層遞進(jìn)的過程，有助于學(xué)生的理解，進(jìn)一步深化了學(xué)生的知識(shí)脈絡(luò)。同時(shí)學(xué)生提升了在觀察、分析、比較和歸納方面的能力。在嘗試使用學(xué)科語言表述酶的催化機(jī)制的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，使學(xué)生不僅明確了酶的專一性的特點(diǎn)，還逐步建立了生命觀念。

（四）影響酶促反應(yīng)的因素

在教師講述了酶的概念以及特點(diǎn)后，讓學(xué)生開始思考：“既然酶對(duì)化學(xué)反應(yīng)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，那么如何保證這些優(yōu)點(diǎn)都得以實(shí)現(xiàn)？換句話說，影響酶促反應(yīng)的因素有哪些？”學(xué)生積極發(fā)言，教師利用板書進(jìn)行小結(jié)：因素包括底物濃度、酶濃度、pH、溫度和重金屬等，這時(shí)，教師將講解的機(jī)會(huì)留給了學(xué)生。學(xué)生進(jìn)行小組活動(dòng)，小組繪制相關(guān)圖形，并進(jìn)行解釋。例如在其他條件適宜的情況下，酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響，并解讀曲線的變化規(guī)律及其生物學(xué)的意義。小組代表展示并交流酶濃度在底物充足時(shí)和底物有限時(shí)，反應(yīng)速率隨酶濃度變化的數(shù)學(xué)模型。展示完畢后，教師提出問題串：“底物有限時(shí)，ab段的影響因素是什么？（答案：酶濃度。酶濃度較低，底物沒有完全被酶結(jié)合）bc段的影響因素是什么？（答案：底物濃度。底物完全被酶結(jié)合）結(jié)合ab段和bc段的影響因素，考慮在b點(diǎn)如何提高反應(yīng)速率？（答案：提高底物濃度。）”

除了理論課堂時(shí)間，學(xué)生也利用了生物社團(tuán)課進(jìn)行了知識(shí)拓展。學(xué)生對(duì)不同溫度下酶促反應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)行拍照匯總，在課上展示動(dòng)圖后進(jìn)行小組活動(dòng)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，彼此交流探討：構(gòu)建反應(yīng)速率隨溫度變化的數(shù)學(xué)模型。小組代表繪制曲線，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)繪制的曲線進(jìn)行3點(diǎn)標(biāo)注，拋出問題串：“酶促反應(yīng)最適合的溫度是哪個(gè)點(diǎn)？（答案：曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度）高溫對(duì)酶的活性有怎樣的影響？（答案：溫度太高，會(huì)破壞酶的空間結(jié)構(gòu)，使其失去活性）對(duì)比經(jīng)-18℃冷凍處理的過氧化氫酶恢復(fù)至常溫后催化過氧化氫分解的現(xiàn)象，低溫也是破壞了酶的空間結(jié)構(gòu)來影響酶促反應(yīng)嗎？（答案：過氧化氫酶恢復(fù)至常溫后的催化效果基本不變，低溫沒有破壞酶的結(jié)構(gòu)，只是抑制了酶的活性）”最后，學(xué)生小結(jié)溫度對(duì)酶活性的影響，并將前面橫坐標(biāo)有數(shù)值的曲線，轉(zhuǎn)化為具有普遍適用性的曲線圖。

學(xué)生展示在生物社團(tuán)課上拍攝的不同pH下酶促反應(yīng)現(xiàn)象的動(dòng)圖。小組活動(dòng)：學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探討構(gòu)建反應(yīng)速率隨pH變化的數(shù)學(xué)模型。教師請(qǐng)小組代表繪制曲線，同樣標(biāo)注三點(diǎn)曲線，提出問題串：“最適合的pH是哪個(gè)點(diǎn)？pH與溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響，有什么相似之處？又有什么不同？（答案：曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的pH值，在pH過高和過低時(shí)，均會(huì)破壞酶的空間結(jié)構(gòu)，使其失去活性，無法發(fā)生催化反應(yīng)）”教師請(qǐng)學(xué)生把曲線轉(zhuǎn)化為一般性的曲線圖。

設(shè)計(jì)意圖：生物社團(tuán)課的有效利用，有利于學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施的過程，培養(yǎng)科學(xué)探究的能力。經(jīng)過師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，學(xué)生能夠思考、討論和歸納影響酶促反應(yīng)的因素，繪制不同的曲線，并用科學(xué)術(shù)語解讀曲線的變化規(guī)律及其生物學(xué)意義，提升了學(xué)生利用工具解決實(shí)際問題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的動(dòng)力，拓寬了學(xué)生的學(xué)習(xí)面。由特殊到一般、簡單到復(fù)雜的圖形轉(zhuǎn)化，是人類認(rèn)識(shí)事物的一般規(guī)律，這一過程培養(yǎng)了學(xué)生通過認(rèn)識(shí)辯證法探究事物本質(zhì)的科學(xué)思維。因此在學(xué)習(xí)中，學(xué)生一定要學(xué)會(huì)利用數(shù)學(xué)工具，將數(shù)學(xué)工具與自己所學(xué)的知識(shí)結(jié)合起來。

（五）升華

在課堂的最后，教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行討論：“如何提高塑料降解酶、分解塑料的效率？”學(xué)生進(jìn)行思考交流，最終給出如下幾點(diǎn)：可以增加塑料酶的濃度、將塑料濃度調(diào)整到適宜的pH、溫度等。接著，教師又提出一個(gè)更深入的問題：“在溫度和pH等條件適宜的前提下，從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度思考，該如何提高塑料酶的活性？”層層遞進(jìn)、由淺入深的教學(xué)方式，有利于學(xué)生的思考。教師指導(dǎo)學(xué)生，由功能到結(jié)構(gòu)逆向推理，最終得到結(jié)論：可以通過改變酶的空間結(jié)構(gòu)來影響其功能。

設(shè)計(jì)意圖：首先通過思考“如何提高塑料降解酶、分解塑料的效率”這個(gè)社會(huì)問題，學(xué)生有效地鞏固了本節(jié)課的知識(shí)。教師在教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一堂課上到最后階段，學(xué)生由于精力有限、接受的新知識(shí)較多，往往會(huì)遺忘最初學(xué)習(xí)的目的以及前面學(xué)習(xí)的部分內(nèi)容。因此在一堂課的最后階段，教師拋出一個(gè)問題，能夠起到加深學(xué)生理解、鞏固學(xué)生知識(shí)的作用。同時(shí)教師將問題的難度提高、層層遞進(jìn)，這一過程也教會(huì)了學(xué)生如何環(huán)環(huán)相扣地思考、如何提問。“打破砂鍋問到底”的理念，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究至關(guān)重要，教師利用最后一個(gè)問題帶領(lǐng)學(xué)生由功能到結(jié)構(gòu)進(jìn)行逆向推理，升華了學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀，使其達(dá)到可以通過改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)來改變其功能的生命觀念的高度。學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，是解決生活中遇到問題的基礎(chǔ)和前提。學(xué)生在解決實(shí)際問題的同時(shí)，也更加善于觀察生活中的問題，不再置身事外。

四、結(jié)語

教師將教材中的演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及社團(tuán)活動(dòng)的開展，刺激了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的感官認(rèn)識(shí)，在落實(shí)了知識(shí)目標(biāo)的同時(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析的科學(xué)探究能力。教師對(duì)動(dòng)畫和模型等使用生物學(xué)語言解讀的教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。青少年正處于一個(gè)好動(dòng)愛學(xué)的階段，教師一味地進(jìn)行理論知識(shí)教育，只會(huì)導(dǎo)致消極甚至對(duì)抗的課堂氛圍。因此教師在教學(xué)工作中需要不斷豐富教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方式，適當(dāng)?shù)貙W(xué)會(huì)放手，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)感，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)，這也是新時(shí)代教育的重點(diǎn)內(nèi)容之一。學(xué)生經(jīng)歷了解決“白色污染”的問題思考和探索過程后，對(duì)社會(huì)的熱點(diǎn)問題會(huì)更加了解，對(duì)未來的科研方向會(huì)更好地把握，也將增強(qiáng)其社會(huì)的責(zé)任感。

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