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以实证引导生物学实验探究的案例分析黄芯婷(福建省福州第三中学福州350001)摘要尝试突破平时的实验教学思路，引导学生结合课堂知识和生活经验进行实证性探究学习。在提出问题的基础上进行课堂合作式实验方案设计并实施，通过观察和分析现象来建构核心概念，帮助学生更深层次地理解温度和 pH 对酶活性的影响及其与细胞代谢的关系。关键词实证引导探究实验核心素养高中生物学“探究影响酶活性的因素”是人教版高中生物学教材必修 1 分子与细胞 第 5 章“细胞的能量供应和利用”第 2 节的内容。教材中通过引导学生设计并实施实验来探究影响酶活性两个最主要的外界因素 温度和 pH。但是，没有将温度和 pH 影响酶活性的本质与细胞代谢过程结合在一起分析与讨论。在学习完本节课后，学生较容易将酶促反应当成一个简单的化学反应来理解。温度对酶活性的影响不是影响酶促反应速率那么简单，而是外界温度影响了生物整个生命周期变化。在不同的温度条件下，生物适应环境，会从酶的数量和活性上调整细胞的代谢强度。生物体内的酶绝大多数是蛋白质，蛋白质对外界环境的敏感，也影响细胞代谢的强度。因此，笔者尝试引导学生结合教材知识和生活经验进行实证性探究学习1。通过比较不同的实验材料和相关资料，在发现问题的基础上，小组讨论后做出新的假设并设计实验方案。结合实验实施的结果，得出更深入的分析和结论，从而实现以实验情境为基础的探究式学习2。这样的学习方式，不仅能将学生的生活经验与教材知识有效地结合，来完成知识体系的建构过程，也能提升学生的思维能力和动手能力，激发好奇心和求知欲，较好地达成课堂教学的目标，一举多得。1创设情境，提出问题结合上节课学习酶的概念和特性，教师提出:动物肝脏中含有过氧化氢酶，那么植物组织中会有吗?请说明作出相关推测的理由。进一步提问:如果同种酶可存在于不同的生物组织中，其活性在不同组织中相同吗?如何通过实验比较不同生物组织中同种酶的活性?在课堂教学时可以直接将教师设计的实验步骤展示在课件上(表 1)，并通过演示实验引发学生的思考，结合实验现象进行结果分析。设计意图:本实验是用学生熟悉的生物材料进行比较，就能直观地看出:不同生物组织内可以含有同种酶，酶的分布具有普遍性;同种酶在不同组织中其活性有差异，同种酶在不同生物组织中催化反应的速率也有所不同。以直观的实验证据为基础进行生命现象的探讨，可激发学生的学习兴趣和探究问题的热情。表 1不同生物组织中过氧化氢酶活性的比较序号项目试管 1试管 21注入 H2O2溶液2mL2mL2注入 20%肝脏研磨液35 滴/3注入 20%土豆研磨液/35 滴结果气泡产生体积大，数量多细密气泡卫生香燃烧复燃未复燃2分析问题组织学生结合上述实验的现象进行进一步的讨论分析，通过查阅资料发现:土豆块茎中也存在着大量的过氧化氢酶。可将动物肝脏和土豆中的过氧化氢酶分别提取出来，通过观察实验过程中气泡的产生量或是产生速率，来比较过氧化氢酶在不同生物组织中的活性大小。加入肝脏研磨液的试管 1 产生的气泡数量较多、气泡体积大;而加入等量土豆研磨液的试管 2 产生的气泡数量也很多，但气泡小而细密，而且黏性较强。用带火星的卫生香进行复燃实验，在试管 1 中可看到明显的复燃现象但试管 2 就无法复燃，这说明什么?如何从结构和功能相适应的角度进行分析?当学生不能快速找到原因时，教师可适当地进行引导:如动物的肝脏是解毒器官，机体产生的许多代谢废物，需要在肝脏中进行分解，那在肝脏中过氧化氢酶的浓度或是活性相比其他生物组织就要高。从而能够更快地分解代谢废物，以避免对组织细胞造成伤害。设计意图:教师不要直接将答案告知学生，而是要用学生学过的生理学知识进行适当引导，让学生去感悟，并学会应用生物体结构和功能相适应的观点来解释实验现象，完成知识的自主建构过程，从而达到帮助学生更好地理解同种酶在不同生物组织中活性差异的目的。3发现新问题通过实验与分析，已明确同种酶在不同生物组织中的活性差异，是与其功能直接相关。那同一生物组织中含有多种酶，这些酶活性是否有差异呢?如何设85生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期计实验进行探究?前面的演示实验已知土豆块茎中确实含有大量的过氧化氢酶，而大家更熟悉的是土豆中的淀粉含量很高，那么土豆块茎中淀粉酶的活性如何?想了解土豆块茎中淀粉酶的活性，就需要先提取适量的土豆块茎中的淀粉酶，那如何提取生物组织中的酶呢?教师引导:关于酶的初步提取，可借鉴教材中从肝脏研磨液中获取过氧化氢酶的方法。有了酶溶液，才能进一步对酶活性进行测定。教师提出的新问题能引发学生进行更深入的思考:在活性测定时，反应体系中是否存在干扰实验结果的物质，如何排除这些干扰物质而保证检测结果科学、准确?设计意图:该实验是学生初步尝试进行探究实验的设计，教师可给予适当的辅助和引导，一定程度上降低设计的难度，以保证学生在课堂上能顺利完成初步的设计。由于高中生物学实验条件的限制，只能完成对酶的初步提取，无法做到提取纯净的酶。所以，需要提醒学生在活性检测时，要注意对干扰因素的排除，才能保证设计方案的科学性。4尝试设计实验引导学生在课堂上利用 5 分钟时间进行小组讨论，并尝试写出实验原理和基本步骤。教师可提醒学生按照教材的范例来设计，但需要注意实验设计过程中变量的控制方法。5 分钟后请 12 个小组派代表来介绍设计方案。在进行方案交流时，重点要求说明以下几个问题:实验的反应原理和检测原理各是什么;本实验如何设置对照组(空白对照和阳性对照)和实验组。这个环节学生需要多一些思考与组织语言书写方案的时间，教师可在这个时间段走下讲台来观察不同小组学生的设计过程，也可与小组学生交流设计步骤中需要注意的细节。设计意图:小组代表在课堂上通过电脑屏幕展示自己小组的设计，这样的环节设计对学生的表达和交流能力提出了更高的挑战。利用网络互动平台实现线上和线下交互学习和评价，是一种快速学习和合作学习的过程，能够让学生及时发现和改进不足之处。也实现了课堂的快速反馈和互动，有利于教学效能的进一步提升。5分析实验结果，得出结论从表 2 的实验结果来看，学生预想中土豆块茎中的淀粉酶活性并不高，完全无法催化淀粉分解。为进一步增强这个实验的说服力，教师提前为每个实验小组准备一组发芽的绿豆提取液进行相同的实验。其实验现象是:发芽的绿豆提取液中淀粉酶活性较高，可催化淀粉分解产生相应的现象。两种生物材料的现象如此不同，该如何解释?土豆的块茎处于休眠状态，淀粉分解代谢缓慢，淀粉酶活性极低。而发芽的绿豆淀粉酶，需要催化淀粉快速分解，以提供种子发芽和生长的能量需求。因此，其淀粉酶活性较高。实验现象可说明:生物体内酶活性的高低不仅受到温度和 pH 这些因素的影响，也受到生物体新陈代谢状态的影响。从本质上来说，环境温度的变化会影响植物和动物的代谢速率，使不同的生物通过调整自身的基因表达过程，如通过调整合成酶的数量和酶的活性来调节代谢，从而适应环境温度的变化，这其实也是生物经历长期进化与适应的结果。表 2探究不同植物组织提取液中淀粉酶活性的差异序号项目试管 1 试管 2 试管 3 试管 41注入 1%淀粉溶液1mL1mL1mL1mL2注入蒸馏水1mL/3注入 淀粉酶溶液/1mL/4注入土豆块茎提取液/1mL5注入发芽绿豆提取液1mL6水浴温度 60 5min7水浴 温 度 45 510min结果加入碘液观察变色情况变蓝不变变蓝不变设计意图:引导学生进一步思考为什么同样的淀粉分解实验，土豆块茎提取液淀粉酶的活性很低，而发芽绿豆提取液的淀粉酶活性较高。不同植物材料的同一代谢反应现象为什么有差异，差异产生的本质原因是什么。本实验结果可让学生从结构和功能观及适应和进化观两个角度进行分析，从而提升学生对生命现象本质的认识，是一个极好的提升学生核心素养的案例。(基金项目:福建省教育科学“十三五”规划课题“基于线上线下交互融合的高中生物学实验教学体系建构”，No FJJKXB20755)主要参考文献1 魏亚静 围绕实证的“被动运输”教学设计J 生物学教学，2021，46(8):34362 桂侠夏，喻娟 真实情境下的探究性实验教学设计与实施 以“铁盐和亚铁盐”实验教学为例J 实验教学与仪器，2022(7):2022 95生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期