黃茗暄

華南師范大學生命科學學院(510631)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》提出教師在教學實施過程中應(yīng)注意學科之間的聯(lián)系,研究生物學與物理、化學等自然科學學科之間的關(guān)系,滲透數(shù)學、技術(shù)、工程學等學科理念[1],立足于學生已有的學科知識基礎(chǔ)和不同學科之間的知識交集,開展有意義的跨學科教學活動,有助于學生修正并完善前科學概念,正確理解科學本質(zhì)并建立科學觀點。

實驗探究是自然科學學科發(fā)展的基石。物理、化學等自然科學學科中存在許多與生物學實驗相通的實驗原理和實驗方法,為生物學實驗的開展和優(yōu)化創(chuàng)造了條件;數(shù)學、技術(shù)、工程學、信息科學提高了生物學實驗的精準度并賦予了其更高的創(chuàng)造價值。生物學實驗課程是進行跨學科資源優(yōu)勢整合的優(yōu)良教學素材。本文以“探究pH對酶活性的影響”為例,采用情境教學、問題驅(qū)動、跨學科、建模教學等策略對本節(jié)實驗課進行創(chuàng)新設(shè)計,以期為教師開展跨學科實驗教學提供參考。

1 教學背景分析

1.1 教材分析

本課選自人教版高中生物必修1第5章第1節(jié)“酶的特性”，教材中設(shè)置了“影響酶活性條件”的探究性實驗，旨在加深學生對課標概念“酶活性受到環(huán)境因素(如pH和溫度等)的影響”的理解，同時深化對酶的本質(zhì)的認識，建立結(jié)構(gòu)與功能觀，也為后續(xù)呼吸、光合作用的學習奠定基礎(chǔ)。

教材中關(guān)于“探究pH對酶活性影響”的實驗僅對酶活性進行了定性測定，學生無法準確理解教材中酶活性隨pH變化的拋物線圖。教材也提出了“進一步探究”的定量實驗建議，教師以此為契機，開展跨學科教學實踐，有助于發(fā)展學生遷移運用多學科知識、解決問題的能力。

1.2 學情分析

本課的授課對象為高一年級學生,他們已具備“過氧化氫分解制取氧氣”等化學知識基礎(chǔ)、“大氣壓的原理與應(yīng)用”等物理知識基礎(chǔ),并且通過初中生物學“比較H2O2在不同條件下的分解”實驗的學習初步掌握了控制變量的科學方法,具備一定的推理分析、觀察認知、實驗設(shè)計的能力,但是缺乏由定性實驗向定量實驗轉(zhuǎn)變的科學思維訓練和遷移運用多學科知識解決問題的實踐經(jīng)驗。

2 教學目標

2.1 生命觀念

通過胃蛋白酶分解蛋白塊的小實驗和“絕大多數(shù)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)”的概念推測pH會對酶活性造成影響,更全面地建立酶的“結(jié)構(gòu)和功能觀”。

2.2 科學思維

通過發(fā)現(xiàn)問題,應(yīng)用多學科知識改進實驗方法,突破學科限制,提升創(chuàng)造性思維能力;通過描述并分析實驗數(shù)據(jù),得出pH對酶活性影響的曲線圖,建構(gòu)數(shù)學模型,提升模型構(gòu)建能力。

2.3 科學探究

通過設(shè)計實驗、改進實驗裝置解決問題,鞏固控制自變量、排除無關(guān)變量、檢測因變量的實驗方法。

2.4 社會責任

通過理解“復(fù)方胃蛋白酶顆?！闭f明書中的注意事項,關(guān)注用藥科學,樹立科學用藥的觀念,養(yǎng)成健康的生活習慣。

3 教學重難點

3.1 教學重點

掌握pH對酶活性影響的一般規(guī)律。

3.2 教學難點

定性實驗向定量實驗的轉(zhuǎn)變;實驗裝置的設(shè)計與改進。

4 教學設(shè)計

在本節(jié)課中,教師通過帶領(lǐng)學生重走科學家的探索之路,采用問題解決式探究法,引導學生遷移運用多學科知識,逐步優(yōu)化實驗方案。教學流程如圖1。

圖1 教學流程圖

4.1 創(chuàng)設(shè)真實情境,重走科學探索路

課堂活動:①展示科學史材料:1 835年,德國科學家施旺發(fā)現(xiàn)胃腺分泌物中的一種物質(zhì)與鹽酸混合后,對肉類的分解能力遠遠大于鹽酸單獨作用,這種物質(zhì)就是胃蛋白酶。②現(xiàn)場實驗1:按表1,向1號試管中依次加入1個1 cm3的蛋白塊、1 mL 0.01 mol/L鹽酸、1 mL 20%胃蛋白酶液(鹽酸溶解),向2號試管加入等量的蛋白塊、鹽酸以及1 mL蒸餾水,記錄蛋白塊消失的時間。③現(xiàn)場實驗2:按表1,向3號試管中,加入1個1 cm3蛋白塊、1 mL蒸餾水以及1 mL 20%胃蛋白酶液(蒸餾水溶解),不加入鹽酸,記錄蛋白塊消失的時間。④提出問題:觀察實驗1的結(jié)果,說明了什么?對比試管1和試管3,思考為什么試管3中加入了胃蛋白酶,蛋白塊沒有被分解,你能作出什么假設(shè)?如何對假設(shè)進行驗證?⑤進一步探究:按表2,將胃蛋白酶置于不同pH的環(huán)境中,記錄蛋白塊消失的時間。

表1 實驗1、2步驟

表2 不同pH下胃蛋白酶的活性

設(shè)計意圖:教師重視科學史的講解,不僅能培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學態(tài)度,也能激發(fā)學生對科學研究的興趣。教師在課堂上還原科學家的探究過程,帶領(lǐng)學生進入“真情境”,引導學生親歷科學家般的探究,主動建構(gòu)概念。實驗1是施旺實驗的簡化版,通過對比試管1、2的現(xiàn)象,學生能更為直觀地認識到酶高效的催化作用;基于施旺的實驗基礎(chǔ),筆者設(shè)計了實驗3。通過對比試管1、3的現(xiàn)象,結(jié)合酶的本質(zhì)概念,學生作出假設(shè):酶的活性會受到環(huán)境酸堿度的影響,并在教師的引導下進行探究。

4.2 問題驅(qū)動教學,跨學科遷移應(yīng)用

通過重走施旺的探索之路并進行進一步探究,學生已經(jīng)初步認識到pH會對胃蛋白酶的活性造成影響。但是否這是酶的一般特性呢?嚴謹?shù)目茖W結(jié)論需要多個證據(jù)支撐,教師引導學生進入“探究pH對過氧化氫酶活性影響”的實驗情境,以問題驅(qū)動教學,啟發(fā)學生融合多學科知識解決問題,改進實驗。

課堂活動:按照人教版教材第82～83頁的實驗方法,學生分組進行實驗。

問題1:你能得到什么實驗結(jié)論?如何改進實驗?

采用教材中的實驗建議進行實驗,學生可以得出結(jié)論:過氧化氫酶在過酸過堿的環(huán)境中會失去活性,但是無法理解教材第84頁抽象的酶活性變化曲線圖。學生分組討論,設(shè)置多個不同的pH梯度,觀察實驗現(xiàn)象,并記錄?？梢杂谩?”表示產(chǎn)生氣泡的量;“-”表示無現(xiàn)象,步驟參照表3。

表3 不同pH梯度酶活性大小觀察

問題2:哪支試管中過氧化氫酶的活性最高?實驗過程中你遇到了什么問題?

學生在實驗過程中不難發(fā)現(xiàn)以氣泡的生成速率或衛(wèi)生香的復(fù)燃情況作為酶活性大小的觀察指標存在許多問題:①酶促反應(yīng)速率過快,試管2、3、4的氣泡生成速率不易比較觀察;②衛(wèi)生香的復(fù)燃情況不明顯;③觀察指標主觀性強,不同組員判斷最高活性試管編號不一致。

問題3:是否有更為準確的方法測定過氧化氫酶活性的大小?

教師加以引導,學生很容易將過氧化氫酶催化、過氧化氫分解的實驗與9年級上冊化學中“過氧化氫分解制取氧氣”的實驗聯(lián)系起來,該實驗的實驗裝置如圖2,用MnO2作為催化劑催化過氧化氫分解,用排水集氣法(向上排空氣法)收集氧氣。是否可以通過改進該裝置對過氧化氫酶的活性進行定量測定呢?學生提出可以通過同一時間內(nèi)不同pH環(huán)境中過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣的體積來表示過氧化氫酶的活性,并結(jié)合過氧化氫酶實驗的實際情況對裝置提出改進方案(見表4),改進后的裝置如圖3。

圖2 化學中分解過氧化氫制取氧氣的裝置

表4 過氧化氫分解制取氧氣實驗裝置的改進方案

學生根據(jù)方案對裝置進行改進,分組進行實驗,讀取并記錄實驗數(shù)據(jù),并以pH為橫坐標﹑以量筒內(nèi)排開水的體積V為縱坐標繪制曲線圖,組間交流實驗結(jié)果。

圖3 改進實驗裝置

問題4:組間實驗結(jié)果是否一致?你認為是什么因素導致實驗結(jié)果不一致呢?

學生通過小組間的討論與分析,得出由于不同組員控制分液漏斗活塞開關(guān)的時間不一致,導致酶促反應(yīng)的反應(yīng)時間不同,所以實驗結(jié)果出現(xiàn)了偏差。

問題5:如何實現(xiàn)將反應(yīng)酶液同時注入5支試管中?如何控制酶促反應(yīng)同時發(fā)生和停止?

教師播放一個經(jīng)典的物理小實驗視頻:在瓶子中裝足量水,蓋緊瓶蓋,在液面下的瓶身處扎孔,水不會從孔中流出,松開瓶蓋,水才從孔中流出。該實驗利用的是經(jīng)典的大氣壓原理。學生受其啟發(fā),進行學科知識的遷移與應(yīng)用,與教師共同合作設(shè)計方案、實施方案,對實驗裝置進行再改進,如圖4～5。松開各試管上端止水夾(圖4～5中的分止水夾),豬肝研磨液不會注入各試管中,只有松開裝置最上端的止水夾(圖4～5中的總止水夾),豬肝研磨液才會注入各試管中,保證各組實驗同時展開。學生可以通過觀察并記錄水槽中倒置的量筒內(nèi)排開水的體積,得到實驗數(shù)據(jù),繪制pH隨酶活性變化的曲線圖。通過對數(shù)學模型的描述與分析,得出實驗結(jié)論:“在適宜的pH條件下,酶的活性最高,pH偏高或者偏低酶活性都會明顯降低。”

設(shè)計意圖:“探究pH對過氧化氫酶活性的影響”實驗為假說“pH會影響酶的活性”提供了又一有力的實驗證據(jù)。學生通過親自動手實驗、改進方案、繪制曲線圖,建構(gòu)數(shù)學模型,突破了本節(jié)課的重難點;教師以問題連續(xù)體的形式,引導學生解決新問題,不斷完善實驗方案,不僅加深了學生對酶的本質(zhì)的認識與理解,幫助學生自主建構(gòu)了“酶的活性受pH影響”的概念,也讓學生在這一過程中體會到科學研究的嚴謹性,鍛煉了學生科學探究的基本技能和勇于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學思維。

圖4 再改進實驗裝置(左視圖)

圖5 再改進實驗裝置的發(fā)生裝置(正視圖)

4.3 聯(lián)系生活實際,升華知識內(nèi)容

課堂活動:①教師總結(jié),對每組學生的課堂表現(xiàn)予以評價,肯定學生在實驗過程中提出的問題及提供的解決方案。②提供資料:“復(fù)方胃蛋白酶顆?！钡恼f明書,提示學生關(guān)注“注意事項”一欄中:“本品不宜與抗酸性藥物同服,在堿性環(huán)境中活性降低?！碧釂栐?鞏固概念。

設(shè)計意圖:“復(fù)方胃蛋白酶顆粒”說明書與課堂導入部分施旺的胃蛋白酶實驗相呼應(yīng),體現(xiàn)教學的一體化思想。引導學生關(guān)注用藥科學,有助于學生樹立科學用藥的觀念,養(yǎng)成健康的生活習慣,把課本知識與學生的生活實際聯(lián)系起來,體現(xiàn)科學對生活的指導作用。

5 教學總結(jié)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》倡導開展探究性學習活動和跨學科實踐活動,在本課教學中,教師帶領(lǐng)學生開展實驗探究并嘗試突破學科限制對實驗進行改進創(chuàng)新。在跨學科教學過程中,教師要注意對其他學科知識的講解要有的放矢,在引導學生遷移應(yīng)用其他學科知識時要特別注意啟發(fā)性材料或問題是否有針對性,避免出現(xiàn)“啟而不發(fā)”“問而無答”的現(xiàn)象。本課將與其他學科相關(guān)的啟發(fā)性材料以實物和視頻的形式提供給學生,如:展示化學中過氧化氫分解制取氧氣的裝置,用以啟發(fā)學生可以改進此裝置對過氧化氫酶的活性進行定量測定;播放物理中大氣壓的實驗視頻,用以啟發(fā)學生可以用止水夾組成一個多開關(guān)控制的實驗裝置,實現(xiàn)同一時間反應(yīng);以及讓學生嘗試以數(shù)學圖像的形式表示數(shù)據(jù)并對圖像進行描述與分析,感受生物學與數(shù)學的相互滲透。在實驗教學中滲透跨學科思想,有助于鍛煉學生的學科知識遷移能力和綜合探究能力。學生在跨學科學習活動中學會用綜合的思路和方法解決現(xiàn)實問題,對學生的未來發(fā)展具有較大價值。