渗透科学本质的生物学教学——以“酶的作用机理”一节的教学设计为例

付 鑫 乔文军

（1 北京市十一学校 北京 100039 2 北京教育科学研究院基础教育教学研究中心 北京 100191）

1 指导思想

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课程标准”）已经颁布，由此开启了新一轮的基础教育课程改革。 新课程标准明确提出“生物学课程既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点，以及解决问题的思路和方法”的课程性质。同时，新课程标准首次提出了“核心素养为宗旨”的基本理念。在新课程标准提出的背景下，如何在面临新标准、 新评价方案的教学年级中体现与实行现有方案的“经验教学”的区别，是任教于2017级高一年级教师的挑战。

通过对新课程标准中“学科核心素养与课程目标”的分析，学生需要在新课程的教学实施过程中达成的不仅是应对高考的学科知识与能力，更是富有生物学思维的问题解决方法。 同时必须考虑到，在解决问题的过程中，学生需要有生物学领域中较高的视角，例如结构与功能观、物质与能量观等，甚至需要借助物理学、化学的知识与方法应对问题解决过程中遇到的各种状况。 因此，自21世纪以来美国主流教育界所倡导的STEM 教育有必要在我国新课程方案实施中落地，且并不仅限于研究性学习和课外活动，是将渗透在高中课堂中的重要思想［1］。

5E 教学模式将一节课或一个单元分为参与（engagement）、探 究（exploration）、 解 释（explanation）、拓展（elaboration）及评价（evaluation）5 个阶段，这一模式可在一堂课上全部体现，也可分布在某一单元乃至一学期中持续体现。 该种教学模式遵循学生的认知规律，充分调动学生进行调查、实验、解决问题等探究活动，主动进行科学概念的构建及错误概念的转化。5E 教学模式自提出已经过30 余年的实践，受到课程专家及一线教师的普遍认可，并成为美国生物科学课程研究所（Biological Sciences Curriculum Study, BSCS）倡导的制定教学计划的主要模式。 利用5E 教学模式进行生物学课程的教学设计，能很好地践行新课程改革的思想［2］。

2 教材分析

2.1 内容分析 酶是生物体内驱动各种化学反应的催化剂，是细胞代谢正常发生的前提条件。酶的教学内容是未来学习“细胞呼吸、光合作用”的重要前导知识，更回应了学习“组成细胞的化合物”中蛋白质相关内容，是学生学习模块1“分子与细胞”建立结构与功能观、物质与能量观的重要节点。酶的催化功能可显著提升化学反应速率，并将反应条件的要求极大降低。 上述催化的机制基于化学基本原理，在教学实践中大多数教师往往对这一部分进行简化，用“爬高峰”和“钻山洞”比拟酶降低活化能的作用。然而，这种简单的比喻无法让学生在本节学科内容中树立适宜的结构与功能观、物质与能量观。 因此，如果向学生深入浅出地展现生物化学中酶降低活化能的“过渡态”理论，同时展现科学家在酶学研究过程中真实的实验设计，引导学生用生物学家的视角解决科学问题，从科学本质的角度理解生物学现象和原理，能够实现新课程标准对培养核心素养的要求。

2.2 学习需要分析 本节教学设计的内容1 课时内完成，要求学生在已学习“组成细胞的化合物”相关内容的基础上进一步学习。 学生在生活中对“酶”这一名词耳熟能详，必然会存在前科学概念。富有实践意义的导入能探查学生已有概念，实现科学概念的转化。本节内容相对抽象，但教学设计的特点是将抽象的内容具体化，用表征、引申等方式帮助学生构建科学概念。

2.3 关键术语 酶、过渡态、活化能、高效性、专一性。

2.4 重要概念

1）酶通过稳定反应物“过渡态”，降低了活化能，具有催化作用。

2）酶通过结合反应物“过渡态”，增加反应物有效浓度，体现出催化的高效性。

3）酶通过与反应物“过渡态”的空间契合，体现出催化的专一性。

3 教学目标

1）说出酶通过降低反应活化能而催化生化反应的机理。

2）说出酶体现催化过程中体现的高效性和专一性。

3）分析资料中给定的信息，探究酶催化反应的机制。

4）认同酶作为催化剂在物质代谢中体现核心地位的生命观念。

5）体会利用新技术对假说进行论证的科学思维过程。

4 教学安排

1）授课对象：高一年级学生（包含选考与非选考生物学作为等级考试的学生）。

2）课时安排：1 课时。

3）教学策略：探究教学、实验教学、5E 教学模式。

5 教学设计与过程

5.1 基于具体模型的探究（参与阶段，engagement）

5.1.1 问题的提出 教师展示化工厂和根瘤菌2幅图片，从一个化学反应N2+3H2→2NH3作为生物学课的导入。 教师指出氨的合成是人类生活生产中十分重要的化学反应，然而相同的反应在工业合成和生物固氮过程中所需要的条件千差万别，而小小的根瘤菌之所以有如此大的本领归因于神秘的“E 物质”的存在，从而引发学生的兴趣。

5.1.2 “酶”概念的引入 首先，用铁丝的焊接类比一个化学上的合成反应（图1），展示反应所需的如电光火石般的强烈条件。

类似地，一条粗铁丝的断开，如同一个化学分解反应，仍然需要一个适宜的条件（图2）。 由此类比，教师通过提出一个问题串，引发学生思考，引出对反应物“过渡态”的理解。 基于类似的生活经验，以及设计中比较易于理解的模型，学生对此问题起初并不难以回答。 教师需要引导学生从浅层次的感性认识，向“物质状态与能量水平的关系”上进行思考，树立物质与能量观。 与此同时，提出类似于固氮菌中“E 物质”的“铁丝E”在铁丝断开的过程中起到了加快变化过程的作用，引出学生对“E 物质”作用机理的探求。

为探究“铁丝E”的作用机理，建立在学生通过上述学习过程已经得到“物质状态越稳定能量越低，反之亦然”结论的前提下，教师抛出2 种大胆的猜想（图3）。

组织小组活动，对2 种猜想反应物、“过渡态”和生成物3 种物质状态的能量水平进行分析，在讨论中生成如图3 右侧的能量变化曲线，指出如同掰断铁丝所用的“劲儿”是图中哪一能量变化过程（ΔGN），引出反应活化能的概念。 学生通过分析2 种猜想，比较2 种猜想中活化能的大小，能确定“铁丝E”应该稳定“过渡态”而非铁丝本身才能有效降低活化能，降低所用的“劲儿”，达到促进反应发生的目的。

最后，通过总结“铁丝模型”中模拟化学反应中物质状态与能量水平变化的过程（图4），指出生物化学反应中实现降低反应活化能神秘“E 物质”就是酶。 由此得到本节课第1 个重要概念：酶通过稳定反应物“过渡态”，降低了活化能，具有催化作用。

5.2 基于实验操作的探究（探究阶段，exploration）

5.2.1 酶作用的高效性 在提出“酶”概念的基础上，教师带领学生探究具体一个酶（过氧化氢酶）的作用。 基于现有人教版必修1 《分子与细胞》第5 章第1 节“降低反应活化能的酶”中比较过氧化氢在不同条件下的分解实例，组织学生进行小组实验，记录实验现象。

1）在只加入过氧化氢溶液的试管中，学生观察不到明显的实验现象。 教师引导学生从前一阶段“物质状态与能量水平关系”的结论中进行分析，发现过氧化氢难以自发分解的原因是因为存在一个能量水平较高的“过渡态”，需要较高活化能才能完成反应。就此，提问如何让反应发生——提高反应物的能量水平，引出下一个实验。

2）加热加入过氧化氢的试管，学生能观察到试管壁上有气泡出现，但卫生香难以复燃。教师引导学生分析，这是由于加热提高了反应物的能量水平，从而达到“过渡态”对应的能量从而引发反应，产生了少量氧气。 这时，学生经过思考提出如果有物质能稳定“过渡态”，应该在没有加热的条件下，引发过氧化氢的分解，从而引出下一个实验。

3）在加入过氧化氢的试管中加入3 滴氯化铁溶液，学生能观察到有些许气泡出现，并使卫生香火星变大。在相同条件下，在加入过氧化氢的试管中加入3 滴肝脏研磨液，比较实验现象，学生能观察到有大量气泡产生，并使卫生香猛烈复燃。教师展示氯化铁和肝脏研磨液中过氧化氢酶催化过氧化氢分解的示意图（图5），提问2 种催化剂催化效果差异的原因。化学基础较好的学生能发现，氯化铁催化过氧化氢分解的机理是将反应分步进行，分步反应“过渡态”所需能量较低，从而实现降低活化能的效果。 但这一过程仍然依赖于整个反应体系中分子间的随机碰撞。作为催化剂的过氧化氢酶，通过一个腔隙收集反应分子，结合之前的结论，这个腔隙不仅能稳定“过渡态”，还能制造一个“局部空间”增大过氧化氢的有效浓度。由此得到本节课第2 个重要概念：酶通过结合反应物“过渡态”，增加反应物有效浓度，体现出催化的高效性。

5.2.2 酶作用的专一性 在以上4 组实验的基础上，教师带领学生开始对2 种酶（过氧化氢酶和淀粉酶）进行研究。 本实验设计是在现有教材“探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解”基础上进行了改编，利用图6 的实验装置，成为上节实验的延续，探究过氧化氢酶和淀粉酶的作用。

教师引导学生利用现有实验仪器，利用过氧化氢、淀粉溶液、过氧化氢酶、淀粉酶4 种实验试剂探究酶作用的“门当户对”。 学生对本设计改良的实验兴趣盎然，培养学生对新情境下的问题进行实验设计的能力。

通过小组间的相互启发，学生通过实验发现只有反应物与酶一一对应时才会发生反应。在此基础上，教师再次引导学生回顾上一节的实验，分析过氧化氢酶的腔隙与反应物之间结合的条件，从而得出本节课的第3 个重要概念：酶通过与反应物“过渡态”的空间契合，体现催化的专一性。

5.3 基于实验结果的现象解释（解释与延伸阶段，explanation and elaboration） 在得到本节课3 个重要结论的基础上，教师提出一个更富有挑战性的新问题。 该问题基于脯氨酸的异构化反应，已知脯氨酸类似物与脯氨酸“过渡态”类似物均能抑制上述反应发生，提问学生哪种抑制剂的效果更强（图7）。

随着这一新情境的出现，学生需要纵观本节课的3 个重要概念，并紧扣“过渡态”这一线索进行思考。抑制剂发挥作用的原因是因为其结构与酶空间结构中的腔隙契合，实现与反应物、“过渡态”分子进行竞争，抑制了化学反应。 而正是由于酶的催化机理是稳定“过渡态”，“过渡态”与酶的结合能力强于反应物与酶的结合能力，因此上述2 种抑制剂中“过渡态”类似物具有更强的抑制效果。

这一情境的设置帮助学生回顾整节课的重要概念，引发学生的课堂内容核心的回顾，并用已学知识灵活地解释现象，对学生的认知能力、迁移能力有较高的要求，更是对学生是否理解科学本质的重要检验。

5.4 应用概念解决实际问题（评价阶段，evaluation）

作为本节课的收尾，教师利用一则科学史材料，从Pollack 提出酶催化反应的“过渡态”假说进行证实的实验出发，引导学生回答问题。本设计中问题的设置参考了新课程标准中对学业水平的4级标准进行的，充分体现新评价方案的特点。

作为评价题目，本题具有大量的新信息，同时包含生物学科中多个主题，对学生的分析能力和综合运用能力有很高的要求。 虽然学生暂且没有掌握“抗原－抗体反应”的基础知识，但通过深入浅出的题目叙述，他们能寻找到题目信息中的逻辑关系。 4 个小问题所要求的学业能力水平层层递进，能对不同层次的学生进行诊断。 同时，第4问中情境的设置贴近学生的生活，对健康生活进行宣扬，学生通过所学知识对社会问题进行解决，凸显了新课程标准中“社会责任”这一核心素养的落地。

6 教学反思

本节课具有较强的思维含量，通过基于材料的探究、基于实验的探究等多种探究方式，对学生的科学思维能力进行训练，通过层层深入的情境设置带领学生深入教学内容的科学本质。 由于课堂容量很大，对教师和学生都提出了挑战。但是在实践中，学生乐于接受这些挑战，只有符合学生认知水平而又富有挑战的学习任务才能引发学生的学习兴趣，在学习中挑战自我、超越自我。 在不同的学校进行本节课的教学实践证明，不同层次的学生能达成的水平并不一致，这也恰恰符合新课程标准对学生的评价要求。 教师可根据本校学生的实际情况对教学内容进行删减、重构，以适合学生的学习。