基于具身認知理論的高中生物學實驗設計

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)明確提出“實驗教學是生物學課程的特點，也是生物學教學的基本形式之一。實驗教學是促成學生發展生物學學科核心素養的重要支撐”。《課程標準》還強調學生學習的過程是主動參與的過程，讓學生積極參與動手和動腦的活動，通過探究性學習活動或完成工程學任務，加深對生物學概念的理解。高中生物學實驗教學一直是生物學教學的難題之一，由于時間不足、課程壓力以及實驗準備煩瑣等問題，教師往往會采取演示實驗、模擬實驗等方式代替實驗。然而在這樣的實驗教學過程中，學生缺乏直觀的情感體驗，無法真正理解實驗中的實驗原理和實驗注意事項等，無法形成相應的生命觀念，只能單純依靠死記硬背來應對考試的需求。這樣枯燥刻板的實驗教學會讓學生逐漸失去學習生物學的興趣，無法有效培養學生的科學思維和科學探究能力，且不符合國家的教育理念。

具身認知理論認為認知并不是發生在大腦內部的孤立事件，而是通過身體與外部環境相關聯、互動產生的結果。具身認知理論具有情境性、涉身性、動態生成性等特點，強調要在具體情境中開展涉身性的認知活動從而實現相關知識的動態生成。2《課程標準》中的課程教學理念與具身認知理論具有一致性，教師要引導學生依據真實情境提出問題，引導學生主動獲取證據，并做出相應判斷，重視探究報告的完成和交流。本文以人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》(以下簡稱\"教材\")第5章第1節的內容“酶的特性”為例，結合《課程標準》和教材內容，嘗試運用具身認知理論指導和優化高中生物學實驗課程教學，讓學生在實驗中收獲和思考，培養其生物學學科核心素養。

1學情分析

在之前的學習中，學生已經初步了解酶的作用和本質，同時教材“探究·實踐”欄目中的“比較過氧化氫在不同條件下的分解”探究實驗讓學生初步認識到探究實驗的設計要遵循單一變量和設置對照的原則，并能夠描述酶具有高效性。在此基礎上，教師引導學生進一步設計并實施探究酶其他特性的實驗，以此加深學生對酶的特性的理解，提升其科學思維，培養科學探究能力。

2教學目標

(1)通過對實驗現象和結果的分析，理解酶的特性，構建結構與功能觀。(2)通過實驗設計，學會控制變量、觀察和檢測因變量，以及嘗試設置對照組，提升科學思維和科學探究能力。(3)通過學習酶在生產生活中的應用實例，認同科技造福人類的態度和價值觀。

3教學過程

3.1創設真實情境，激發學生興趣教師布置課前任務—搜集生活中的含酶物品。學生發現家人使用的血糖檢測儀中含有酶并對此產生興趣。教師運用學生的好奇心以血糖檢測儀的使用為教學情境，引導學生在情境中解決問題，提高學生的學習積極性。

首先教師展示趣味實驗微視頻，并提出問題：血糖檢測儀能否檢測淀粉？學生根據實驗結果得出結論：酶具有專一性，不能檢測淀粉。隨后，教師深入介紹酶的專一性，引導學生初步認識酶的特性和探究實驗的設計。在此基礎上，教師繼續提出問題：在冬天，血糖檢測儀的靈敏度會下降，說明書上也注明血糖試紙的測試溫度是 ，原因可能是什么？學生遷移應用蛋白質的相關知識，推測出溫度可能影響酶的催化作用。最后，教師引導學生在推測的基礎上設計并開展探究實驗，有效調動學生的學習主動性。

設計意圖：教師以生產生活中常見含酶物品開展教學，促使學生認同酶在日常生產生活中的重要作用；通過實驗微視頻導入本節課的學習重點“酶的特性”，以真實的學習情境為切人點，激發學生的學習興趣。

3.2涉身開展實驗，突破學習難點

目前學生探究實驗的經驗不足，因此在開展“探究溫度對葡萄糖氧化酶活性影響”的實驗之前，教師應給予學生充分的指導。例如，教師應引導學生分析本探究實驗的自變量、因變量和無關變量。部分小組合作探討得出的實驗方案均是先將底物和酶進行混合，隨后再利用恒溫水浴鍋進行保溫，讓其在設置的溫度下進行反應。小組之間進行互評，部分學生指出此實驗方案存在一定的不足，沒有嚴格控制自變量。學生小組對方案進行調整(見表1)，教師對調整后的方案進行及時評價。在此過程中，學生不斷地優化實驗方案，發展自身的科學思維和科學探究能力。

在實驗過程中，教師應引導學生解決實驗中出現的問題。實驗完成后，小組代表展示實驗結果，并嘗試結合數學模型，直觀展現溫度對酶活性的影響。學生依據實驗結果提出問題：高溫能夠改變酶的空間結構進而使其失去催化作用，低溫是否具有相同作用？

設計意圖：學生通過設計、修改、完善、實施探究實驗，學會控制自變量、檢測和觀察因變量，并嘗試設置對照組，有利于培養自身的科學思維和科學探究能力，突破教學重難點。

3.3拓展深入分析，動態生成概念

部分學生結合生活經驗（血糖檢測儀從低溫的室外拿到室內，可以正常使用)，得出低溫和高溫對酶活性的影響可能不同的觀點。為驗證這一觀點，學生需進一步設計實驗方案，深人拓展探究低溫和高溫對酶活性的影響是否相同。學生小組設計方案如表2所示。學生開展實驗并匯報交流，根據實驗結果修正數學模型，突破教學重難點。通過對“探究溫度對葡萄糖氧化酶活性影響\"實驗的延伸思考，學生能夠加深對酶特性的認識，體會到科學研究是一個不斷驗證和修正的過程，培養學生嚴謹的科學態度和批判性思維。

根據溫度對酶活性影響的實驗結果，教師引導學生推測pH對酶活性的影響，得出酶的作用條件較為溫和的結論。在教學結束后，教師布置科普任務：結合酶的相關知識，向周圍人科普含酶物品的優點及使用注意事項。在這一過程中，學生可以學以致用，加深對知識的理解，并培養分析問題、解決問題、實踐運用的能力，發展社會責任意識。

設計意圖：學生深入挖掘實驗結果，基于事實和證據進行合理的推測，同時運用生物學知識和相關實驗方法進行科學探究，分析和解決問題，加深了對酶特性的認識，進一步培養其科學探究能力和批判性思維。

4教學反思

4.1注重生物學實驗教學的情境性

具身認知理論的情境性是指認識活動的發生離不開情境的創設，認知是認知主體與周圍環境的持續的相互作用，情境依賴是人類活動的一般特征。教師設計“血糖檢測儀的使用”的教學情境，以“血糖檢測儀能否檢測淀粉”“血糖試紙的測試溫度范圍的可能原因推測\"\"低溫和高溫對血糖檢測儀的影響是否相同\"“科普含酶物品的優點及使用注意事項”為主線展開教學，激發學生的求知欲和興趣，同時促使學生全身心地參與課堂，并引導其運用生物學知識解決實際問題，進一步鞏固提升對概念的理解，培養其社會責任意識。

4.2注重生物學實驗教學的涉身性

具身認知理論關注身體感受和身體體驗對認知活動的影響，強調身體在認知活動中的作用，結合《課程標準》的教學建議，高中生物學實驗課堂應該帶領學生親身參與實踐，親身體驗科學概念的形成和發展過程。筆者通過展示實驗視頻，帶領學生設計探究溫度對酶活性影響的實驗方案，并及時對其進行反思優化。學生開展實驗，并以小組合作匯報交流的形式展示實驗成果，充分調動學生參與學習的積極性。在實驗課堂中，學生充分投入精力并積極思考解決問題，其知識的獲得不再是大腦獨立的感知活動，身體的感知能夠幫助學生對大腦的認知進行加工和再造，從而實現對知識的真正內化和應用，有效提升了學生的科學探究能力，培養學生不斷進取的科學精神和不懈追求的科學態度。

4.3注重生物學實驗教學的動態生成性

認知的過程是在身體與環境的互動中動態生成的，因此生物學實驗教學不應使用演示代替實踐，不可將探究實驗變成驗證實驗。在本節實驗的教學中，教師應時刻關注學生思維的動態發展，如及時運用學生對血糖檢測儀的好奇心；指導學生在設計實驗時對溶液保溫和混合順序提出疑問；辯證看待不同溫度對酶活性的影響并以此進行深入拓展探究；對學生實驗適時給予反饋等。師生的有效互動，能夠有效提升學生探究學習和解決問題的能力。此外，學生具有獨特性，其認知活動也具有差異性。在本節課的設計中，教師應采取多種形式的學生活動和多元化的學生評價方式，滿足不同學生的需求，促進學生的全面發展。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[M.北京：人民教育出版社，2020.

[2]果蕊，李秋石.具身認知理論在生物學教學中的應用—以“內環境的穩定性”為例[J].中學生物教學，2022（12）：16-17.