郝帥晶　趙晨霞　李曉蘭

摘 要：本實(shí)驗(yàn)按照教材中“目的要求—材料用具—方法步驟—討論—結(jié)論”的框架實(shí)施，要求學(xué)生在該框架下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過比較、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，歸納、概括得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在分析課標(biāo)、教材、學(xué)情的基礎(chǔ)上，制定出本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和參考文獻(xiàn)，優(yōu)化和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并選取合適的實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)過程，帶領(lǐng)學(xué)生組裝實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、推測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成課堂教學(xué)活動(dòng)。旨在通過改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案加快學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，同時(shí)能直觀感受實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化過程，注重實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，體會(huì)量變帶動(dòng)質(zhì)變的過程，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：過氧化氫分解;組裝實(shí)驗(yàn)裝置;團(tuán)結(jié)協(xié)作;教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G423? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2022）04-0001-04

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)理念

結(jié)合《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中生物學(xué)課程目標(biāo)達(dá)成的途徑，即學(xué)生要主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得生物學(xué)知識(shí)，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣和積極的科學(xué)態(tài)度，掌握科學(xué)探究的思路和方法，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐能力[1]。運(yùn)用“5E（引入、探究、解釋、精致、評(píng)價(jià)）”教學(xué)模式，聯(lián)系生活實(shí)際，選取容易購(gòu)置且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)材料香菇，目的是為了達(dá)成《課程標(biāo)準(zhǔn)》中要求的重要概念，即酶能降低化學(xué)反應(yīng)的活化能。

1.2 設(shè)計(jì)思路

比較過氧化氫在不同條件下的分解實(shí)驗(yàn)的目的在于讓學(xué)生通過對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)處理下過氧化氫分解的進(jìn)程，了解過氧化氫酶的作用[2]。按照教材給定的框架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)生通過對(duì)過氧化氫分解的判斷是通過氣泡的多少以及觀察衛(wèi)生棉復(fù)燃的情況來獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雖然在結(jié)果產(chǎn)生的過程中對(duì)現(xiàn)象的觀察有可比性，但學(xué)生需要仔細(xì)觀察其中的變化過程才能給出較準(zhǔn)確的描述，直觀性差。教材中的實(shí)驗(yàn)材料是新鮮的肝臟，雖然購(gòu)置的肝臟可以通過冷藏或冷凍的方式進(jìn)行保存，但無法保證肝臟中過氧化氫酶的活性，并且由于肝臟取自動(dòng)物體內(nèi)，部分學(xué)生對(duì)動(dòng)物保護(hù)具有較強(qiáng)的意識(shí)，難以接受用動(dòng)物肝臟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了保證實(shí)驗(yàn)的正常開展以及全體學(xué)生參與，必須對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。在本實(shí)驗(yàn)中，鍛煉學(xué)生使用科學(xué)方法“控制變量和使用對(duì)照實(shí)驗(yàn)”也是難點(diǎn)之一。筆者通過查閱文獻(xiàn)指導(dǎo)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，嘗試解決開展該實(shí)驗(yàn)遇到的困境。關(guān)于實(shí)驗(yàn)材料，部分研究者嘗試使用植物研磨液來代替新鮮肝臟研磨液，如胡蘿卜、土豆、香菇、青椒、蘋果、洋蔥等。其中土豆研磨液[3]和香菇研磨液[4]是較好的過氧化氫酶的材料來源。筆者分別對(duì)土豆研磨液和香菇研磨液進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)香菇研磨液產(chǎn)生氣泡的速度更快。因此，本實(shí)驗(yàn)過氧化氫酶的供體選擇了香菇。關(guān)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何量化的問題，不少研究者嘗試用小氣球[5]和注射器[6]來收集氣體，借此將結(jié)果量化，使學(xué)生直觀地感受到過氧化氫分解的快慢。筆者分別用小氣球和注射器進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)注射器組裝集氣裝置存在缺點(diǎn)，即由于注射器針孔較小，氣體容易在裝置內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力，導(dǎo)致裝置漏氣;或者由于使用的注射器體積小且活塞摩擦力小，壓力過大時(shí)活塞脫離針管;或注射器活塞摩擦力過大而影響活塞的活動(dòng)，最終影響了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。綜合考量后選擇用小氣球來收集本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣體。關(guān)于科學(xué)方法如何在教學(xué)中滲透這一問題，筆者嘗試設(shè)計(jì)表格，讓學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)操作后，填寫表格，分析實(shí)驗(yàn)中的“自變量”“因變量”“無關(guān)變量”“對(duì)照組”“實(shí)驗(yàn)組”，幫助學(xué)生理解控制變量和設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

2 制定教學(xué)目標(biāo)

2.1 課標(biāo)分析

在生物學(xué)課程教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)揮著不可忽視的作用，是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑之一?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》要求教師在教學(xué)中加強(qiáng)和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)要盡量采用多樣化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)，并注意實(shí)驗(yàn)安全教育[1]。

《課程標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定本節(jié)課學(xué)習(xí)的重要概念是“酶能降低化學(xué)反應(yīng)的活化能”[1]，為此，教材中設(shè)計(jì)了“比較過氧化氫在不同條件下的分解”的探究實(shí)驗(yàn)和“酶降低化學(xué)反應(yīng)活化能示意圖”[2]。因此，本節(jié)課對(duì)于學(xué)生理解酶在新陳代謝中的作用機(jī)制以及理解“酶能降低化學(xué)反應(yīng)的活化能”這一重要概念起到十分重要的作用。

2.2 教材分析

探究實(shí)驗(yàn)“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是人教2019版高中生物學(xué)教材必修1第五章第1節(jié)的內(nèi)容[2]，不僅讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到酶是細(xì)胞代謝中的重要載體，而且讓學(xué)生理解酶的催化作用，理解酶本身在催化反應(yīng)前后并未發(fā)生變化。

教材中實(shí)驗(yàn)按照“目的要求—材料用具—方法步驟—討論—結(jié)論”程序進(jìn)行[2]，在學(xué)生的討論與交流之后得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師在教學(xué)時(shí)創(chuàng)造讓學(xué)生運(yùn)用“比較”“分析”“歸納”“概括”等科學(xué)方法解決實(shí)際問題，有效地進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

教材中編排了“科學(xué)方法”欄目“控制變量和設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)”，詳細(xì)介紹了“變量”“自變量”“因變量”“無關(guān)變量”“對(duì)照實(shí)驗(yàn)”的概念以及設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)的原則，“除自變量外，其余變量都要保持一致，并且要將因變量進(jìn)行對(duì)比分析”，為學(xué)生在學(xué)習(xí)中掌握自主設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)打下理論基礎(chǔ)[2]。

2.3 學(xué)情分析（見表1）

2.4 教學(xué)目標(biāo)

在分析《課程標(biāo)準(zhǔn)》、教材以及學(xué)情的基礎(chǔ)上，根據(jù)課標(biāo)的內(nèi)容以及對(duì)學(xué)生的要求，符合學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，制訂本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)：

通過分析過氧化氫及過氧化氫酶的相關(guān)資料，歸納、概括過氧化氫酶在細(xì)胞代謝中的作用。

通過觀察不同實(shí)驗(yàn)處理下過氧化氫溶液的狀態(tài)，推測(cè)過氧化氫分解的快慢，科學(xué)地分析自變量與因變量之間的關(guān)系。

通過參與實(shí)驗(yàn)并與他人合作交流，能夠清晰地表達(dá)自己的感想，認(rèn)同集體的力量可以幫助我們有效地完成任務(wù)。

3 教學(xué)過程

3.1 課前準(zhǔn)備

3.1.1 制備3%過氧化氫溶液和香菇研磨液

實(shí)驗(yàn)室中只有濃度30%的過氧化氫溶液，將其稀釋即可獲得濃度為3%的過氧化氫溶液。

香菇研磨液由教師在實(shí)驗(yàn)課開始前研磨后備用，確保每組同學(xué)使用的香菇研磨液中過氧化氫酶的含量及活性相同，剔除前期操作差異產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)器材的選擇

本實(shí)驗(yàn)選用250mL抽濾瓶作為反應(yīng)裝置，小氣球?yàn)榧瘹庋b置。通過觀察小氣球的變化判斷過氧化氫的分解快慢，為了確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，教師應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前測(cè)試氣球的密閉性，并為各組提供顏色一樣的氣球，避免色彩的差異和視覺的差異影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)開始前將小氣球用皮筋套在抽濾瓶的抽濾嘴上，排盡小氣球中氣體，保證實(shí)驗(yàn)開始前實(shí)驗(yàn)條件的一致。

3.1.3 預(yù)試驗(yàn)

預(yù)實(shí)驗(yàn)可為正式實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的可操作性，避免因設(shè)計(jì)不合理等原因造成實(shí)驗(yàn)失敗。教師進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，不僅有助于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的可行性和科學(xué)性，還有助于熟悉實(shí)驗(yàn)過程，了解實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間等，為本實(shí)驗(yàn)課做好實(shí)驗(yàn)安排和設(shè)計(jì)。圖1—圖3分別為過氧化氫溶液（左：過氧化氫酶處理下，右：FeCl3處理下）在實(shí)驗(yàn)開始、實(shí)驗(yàn)中期、實(shí)驗(yàn)后期反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要環(huán)節(jié)

3.2.1 課前分組

教師根據(jù)“組間同質(zhì)、組內(nèi)異質(zhì)”的分組原則，將學(xué)生3-4人分為一小組。

3.2.2 導(dǎo)入

教師用PPT展示有關(guān)過氧化氫對(duì)細(xì)胞代謝影響的資料，播放過氧化氫在體外分解的視頻。隨后教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀、分析資料，引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題：（1）怎樣的實(shí)驗(yàn)處理會(huì)使過氧化氫溶液的狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致過氧化氫分解？（2）不同實(shí)驗(yàn)處理下過氧化氫的分解速率一樣嗎？（3）過氧化氫在生物體內(nèi)和生物體外分解的條件有何不同？

3.2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原?/p>

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材第77頁(yè)有關(guān)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡认嚓P(guān)內(nèi)容，并在黑板上板書過氧化氫分解化學(xué)反應(yīng)式：2H2O2-2H2O+O2↑。教師引導(dǎo)學(xué)生思考本次實(shí)驗(yàn)需要什么器材以及如何判斷過氧化氫分解的快慢。

隨后向?qū)W生介紹本次實(shí)驗(yàn)選擇香菇作為過氧化氫酶供體，使用小氣球和抽濾瓶的原因。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)器材

教師依次展示實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生對(duì)照教師的講解，檢查組內(nèi)的實(shí)驗(yàn)器材是否齊全。

3.2.5 實(shí)驗(yàn)過程

第一步，教師將準(zhǔn)備的兩支試管展示在學(xué)生面前，兩支試管中分別加入2mL濃度為3%的過氧化氫溶液，1號(hào)試管不做處理，2號(hào)試管放于90℃的水浴鍋中，請(qǐng)一位同學(xué)描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象如實(shí)描述并推測(cè)溫度對(duì)過氧化氫分解的影響。

第二步，請(qǐng)同學(xué)們思考：細(xì)胞內(nèi)的過氧化氫可以用加熱的方式進(jìn)行分解嗎？為了加快反應(yīng)的進(jìn)行，初中化學(xué)中學(xué)過可以使用催化劑，對(duì)于體內(nèi)酶的分解速率和催化劑催化的分解速率進(jìn)行比較，哪個(gè)的分解速率更快？講解本實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)裝置和檢測(cè)裝置。請(qǐng)同學(xué)們以小組為單位組裝反應(yīng)裝置，參考表格中試劑的量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

第三步，請(qǐng)各小組選擇一名同學(xué)拿兩支小試管到講臺(tái)上抽取FeCl3溶液和香菇研磨液各2mL;其他同學(xué)分別對(duì)兩支抽濾瓶進(jìn)行編號(hào)，在抽濾嘴處捆綁小氣球，并分別向兩支抽濾瓶中各加入20mL過氧化氫溶液。待所有準(zhǔn)備工作完成后，兩名同學(xué)同時(shí)將小試管中2mL的FeCl3溶液和香菇研磨液分別倒入1號(hào)和2號(hào)抽濾瓶中，快速用軟塞將抽濾瓶瓶口塞緊，輕輕震蕩，使催化劑與底物充分反應(yīng)。

第四步，請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察氣球的變化并描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推測(cè)無機(jī)催化劑和酶對(duì)過氧化氫分解速度的影響。

第五步，請(qǐng)各小組成員根據(jù)組內(nèi)的推測(cè)結(jié)果，并結(jié)合其他組分享的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)中存在的問題，探討實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，組間對(duì)比，查找和總結(jié)本組實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和不足。

3.2.6 滲透科學(xué)方法

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材第78頁(yè)“科學(xué)方法”欄目“控制變量和設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)”，完成表2。

學(xué)生先自主填寫表格，隨后通過師生互動(dòng)、生生互動(dòng)（組內(nèi)、組間交流討論）完善表格。思考和探究生物學(xué)研究采用的科學(xué)方法[7]。

3.2.7 課堂小結(jié)

教師匯總學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況、討論交流結(jié)果，總結(jié)過氧化氫在體內(nèi)、體外分解的特點(diǎn)以及在不同條件下分解速度等。強(qiáng)調(diào)對(duì)照實(shí)驗(yàn)中控制變量和單一對(duì)照原則。布置課后任務(wù)，完善實(shí)驗(yàn)報(bào)告單。

4 教學(xué)反思

4.1 教學(xué)設(shè)計(jì)中充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心

本實(shí)驗(yàn)使用了3%濃度的過氧化氫溶液，包含加熱分解過氧化氫、點(diǎn)燃木條等實(shí)驗(yàn)過程。由于過氧化氫具有一定的腐蝕性，加熱分解過程可能會(huì)燙傷學(xué)生、點(diǎn)燃木條使用明火具有一定的危險(xiǎn)性，這些操作過程的不當(dāng)可能會(huì)引起安全事故。為了讓學(xué)生在相對(duì)安全的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，盡量避免安全事故的發(fā)生，過氧化氫溶液的稀釋由教師課前完成，過氧化氫的熱分解實(shí)驗(yàn)由教師課堂演示，學(xué)生觀察現(xiàn)象并描述，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在實(shí)驗(yàn)過程中加入過氧化氫時(shí)，讓學(xué)生佩戴一次性手套，避免皮膚接觸過氧化氫而受到傷害。在整節(jié)課中，學(xué)生自己做實(shí)驗(yàn)、描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)反思、表達(dá)與交流都充分體現(xiàn)了探究實(shí)驗(yàn)的意義，即把課堂還給學(xué)生，讓學(xué)生做課堂的主人。

4.2 將衛(wèi)生香驗(yàn)證氧氣量的環(huán)節(jié)改為用小氣球集氣

氣球集氣的過程相對(duì)于衛(wèi)生香驗(yàn)證氧氣量來說，既保證了學(xué)生的安全，也讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀，讓課堂動(dòng)起來，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

4.3 用香菇研磨液代替肝臟研磨液

選用香菇研磨液代替肝臟研磨液，解決了肝臟難保存、學(xué)生排斥使用肝臟做實(shí)驗(yàn)等問題，確保學(xué)生全員參與實(shí)驗(yàn)并保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。

4.4 使用抽濾瓶作為反應(yīng)裝置

抽濾瓶獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，可以直接將小氣球連接其上收集氣體，簡(jiǎn)化了集氣裝置連接的繁瑣步驟，同時(shí)250mL抽濾瓶為底物與催化劑的結(jié)合提供了充分的空間，讓反應(yīng)更加徹底，現(xiàn)象更加明顯，而且還可以避免因?yàn)閴毫^大導(dǎo)致氣球漲破。

4.5 整理學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，進(jìn)行教學(xué)反饋

學(xué)生所完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告集合了學(xué)生在本節(jié)實(shí)驗(yàn)課中的基本思考過程和實(shí)驗(yàn)過程，是學(xué)生對(duì)本節(jié)課的學(xué)習(xí)成果的展示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師總結(jié)分析學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的問題，可采用集中反饋和單獨(dú)反饋結(jié)合的方式讓學(xué)生及時(shí)反思自己在實(shí)驗(yàn)過程中的優(yōu)點(diǎn)和不足，并給出合理的解釋，為以后的實(shí)驗(yàn)操作和學(xué)習(xí)情況的把握奠定基礎(chǔ)，同時(shí)根據(jù)學(xué)生集中出現(xiàn)的問題對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和完善，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

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收稿日期：2021-12-18

通訊作者：李曉蘭（1977-），內(nèi)蒙古赤峰人，教授，主要從事生物教育、生態(tài)學(xué)相關(guān)研究。

基金項(xiàng)目：赤峰學(xué)院一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（CFXYYLXKB202102）