基于实验探究的生物学概念教学——以“酶活性受温度和pH等环境因素的影响”为例

杨红兰

（杭州师范大学附属中学 浙江杭州 311121）

1 基于实验探究的生物学概念教学的提出

生物学概念是对生命现象和生命规律的一个概括或者总结，在高中生物教学中具有举足轻重的地位。它是组织生物知识的基本单位，也是形成和发展抽象思维的基本单位。在生物知识体系中，生物学概念是构成生物学知识基本单位，是支撑生命观念形成的基石。生物学概念教学的成效会直接关系到学生对知识的认知程度，影响到学生整体知识体系的建构，最终影响到生物学学科核心素养的达成。高中阶段的生物学概念大多比较抽象，专业性强。高中生由于认知和思维能力的不完善，对一些抽象的、不常接触的概念不容易理解。在教学中，教师需要提供丰富的生物学事实和实验证据，引导学生进行归纳和整理，主动建构自己的概念体系，完成从感性认识到理性认识的转变。

传统生物概念教学，教学的着力点大都放在概念文本的理解上，比较忽视概念的形成过程。教师一般将概念的定义直接给出，然后从正例、反例、特例不同角度挖掘剖析概念的内涵、外延。这种概念教学的好处是，学生可以在短时间内学到大量的知识；弊端是，学生对习得的概念无法顺利迁移，不能灵活运用生物学概念去解释、解决生产生活中的实际问题。究其原因，学生没有真正参与到概念的形成过程，只认识了概念的表象，没有认识概念的本质。学生要真正理解并掌握概念，就需要自己主动探索，建构概念体系，控制对概念的本质。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）明确提出了“教学过程重实践”的基本理念，强调学生的学习活动是主动参与的过程，倡导通过探究性学习活动，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，培养创新精神。

生物学是一门实验性学科，生物学概念大都建立在观察与实验的基础上，实验教学是生物学课程的特点。传统的实验教学一般都是先介绍概念再进行验证，缺乏探究性，且缺少真实情境，无法真正激发学生自主探究的兴趣。基于实验探究的概念教学，是指将概念教学与现实世界中的问题有机结合，通过创设特定的问题情境，让学生在实际问题情景中展开实验探究，并在问题解决中完成概念的建构。在该教学模式中，概念、问题、探究、实验四个部分紧密相联，问题中蕴含着概念，概念支撑着问题的解决、探究的开展，实验是探究的载体，探究是实验的核心。

2 基于实验探究的生物学概念教学的基本流程

2.1 课前准备

教师根据教学任务的需要，从教材、生产、生活中挖掘学生感兴趣的、蕴含着特定概念的探究内容，设计出研究性课题，发放给学生，并在课前汇总学生探究的结果。教师要循序渐进地指导学生进行课前、课中探究。

学生自主选择课题，以小组为单位，完成包括资料查阅、社会调查、课前实验等科学探究任务。

2.2 课上探究

这是概念建构的核心环节。教师以科学探究为主线，实验活动为载体，科学思维为中心，帮助学生经历“问题—猜测—探究—理解—应用”的实践过程，通过层层递进的问题和活动，不断加深对概念本质的理解。具体过程如下。

2.2.1 问题情境，引出概念

教师结合学生课前探究的结果，创设真实的问题情境，引出新课的概念。学生针对情境中的问题，根据已有的概念或经验提出自己的推测和猜想。

2.2.2 探索研究，形成概念

各小组自行设计实验方案，并利用教师提供的实验药品与器材，求证自己小组的推测与猜想。实验结束后，各小组如实客观地呈现与分析实验数据或实验现象，得出探究的结论，构建新课的概念。在这个过程中，教师不参与指导，只是提供充足的材料，留出充裕的时间，放手让学生探究，必要时可以适当引导与帮助。

2.2.3 理解体会，抽象概念

教师根据概念建构的需要，精心设计引导性的问题，让学生交流讨论，这是学生思维碰撞的一个重要环节。交流内容既可以围绕实验结果（找共性结果、分析异常现象等），也可以分享本次探究过程中的收获，甚至可以组间点评。在这一环节中，学生通过倾听、质疑、综合意见，逐步加深对概念本质的理解，最后，通过小结，自然而然地归纳出本节课的概念。

2.2.4 应用拓展，深化概念

对概念的掌握并不是以能描述为最终目的，教师需要创设出基于生产生活的实践案例，引导学生运用新建构的概念尝试进行解决，通过学以致用，深化概念。下面以“酶活性受到温度和pH等环境因素的影响”这一概念的建构为例，谈谈基于实验探究的生物概念教学的教学实践。

3 基于实验的探究式生物概念教学的实践

3.1 教学目标

“酶活性受温度和pH等环境因素的影响”这一概念从属于新课标概念2下面的一个次位概念，教学提示建议开展“探究影响酶活性的因素”的探究性实验。根据核心素养发展目标，制定本节课的学习目标如下：

（1）能够建构起“酶的作用条件比较温和”这一概念，并能运用这一概念到实际生活中，通过调控酶活性的影响因素来解决生产、生活中的实际问题。

（2）能够习得概念建构的科学方法，发展科学探究的能力，提升科学思维的品质。

3.2 教学过程

3.2.1 课前准备

在上课前，笔者要求学生从身边寻找跟酶有关的生物学现象或事件，并以小组为单位联系生活或生产实践，提出一个跟酶有关的探究性课题。如，其中有个小组提出：“苹果削皮或榨汁后为什么会迅速变色，如何让榨出的苹果汁不变色？”学生探究欲望很强，查阅资料发现，这是生活中非常普遍的一种酶促褐变现象，主要是跟细胞中的多酚氧化酶的活性密切相关。除了苹果，很多果蔬也存在褐变现象，如土豆、茄子、莲藕等。因此，“降低果蔬褐变的发生率”这一课题对现在的净菜加工行业有指导意义。基于以上想法，教师决定以“探究苹果褐变的原因及降低褐变发生率作为课堂主线”，帮助学生建构“酶活性受温度和pH等环境因素的影响”这一重要概念。

学生以小组为单位，查阅并探究苹果变色的原理，从生物学角度出发，提出延缓苹果变色的措施。学习小组设计简单实验加以验证（特别交代无关变量的等量控制），将将实验过程和结果拍照或录视频上交。

3.2.2 课堂教学的基本过程

3.2.2.1 问题情境，引出概念

教师播放学生课前录制的实验视频1：把一个苹果削皮后均匀切成4块，一块放在白纸上，其余三块分别浸泡在等量的柠檬水、清水和沸水中；分别观察并记录4块果肉颜色的变化情况。实验结果显示：放在白纸上果肉一会儿就开始发黄变褐，而浸泡在清水、柠檬水和沸水中的果肉几乎没有颜色变化。

教师提出问题：

①为什么苹果果肉会变色？究竟是什么导致苹果果肉变色呢？

②浸泡在清水、柠檬水和沸水中的苹果块均不变色，基于这一现象你如何解释？

通过褐变原因的介绍，教师顺利引出导致苹果果肉变色的幕后主使——酶（多酚氧化酶）。

教师继续播放视频1：将清水、柠檬水和沸水中的苹果块取出分别放在白纸上，10 min后，来自清水的苹果块褐变比较明显，而来自柠檬水和沸水苹果块果肉颜色变化不明显。教师提出问题：为什么浸泡过柠檬水和沸水的苹果块，暴露在空气中也不变色了？学生根据已有的经验，提出“高温和酸性环境可能使多酚氧化酶失活”的猜测。

教师告诉学生：理科观点的提出一般需要实证的支持。刚才的猜测是“温度和酸碱度会影响多酚氧化酶的活性”。为了验证猜想否正确，可以通过科学地开展实验来验证。

3.2.2.2 探索研究，形成概念

学生以小组为单位，自行设计实验方案，然后利用以下实验器材，自行进行探究：质量分数为1%的儿茶酚溶液、不同pH的缓冲液、蒸馏水、恒温水浴锅、冰块、纱布、试管、榨汁机、量筒、烧杯、滴管、移液器等。

教师指导学生进行变量分析，完成表1；然后，指导学生完善实验步骤，完成表2。

表1 变量分析表

表2 实验记录表

为方便比较不同组别儿茶酚溶液褐变的程度，按照表3设定褐变的4个等级（“+”的多少表示褐变等级的大小）。

表3 儿茶酚溶液褐变的程度

学生利用实验室仪器和材料进行实验操作。教师指导学生处理并分析数据，并按照图1，以温度或pH为横坐标，褐变等级为纵坐标进行数学建模。

3.2.2.3 体会理解，抽象概念

教师提出系列问题，促进学生思考：

（1）结合图1中曲线，概述温度和pH跟酶活性的关系。

（2）请结合生产生活实际，举出温度和pH对酶活性产生影响的实例。

（3）多酚氧化酶的化学本质是蛋白质，根据蛋白质的特性，高温、强酸、强碱以及低温条件下，酶活性下降的可能原因是什么？

（4）课前探究中，部分组发现用白醋或柠檬酸与苹果一起榨汁的实验中，苹果汁颜色还是在缓慢加深，这该如何解释？

（5）课前探究中，有些组合尝试用盐水浸泡削皮的苹果，发现防止褐变的效果也很好。对这一实验结果，怎么解释？

（6）通过本次实验，你对酶的作用条件形成了哪些认识？

（7）结合酶的特性，请从生物学角度，提出防止苹果褐变的措施。

3.2.2.4 应用拓展，深化概念（运用概念解决实际问题）

教师要求学生利用本堂课建构的概念，周末回家鲜榨苹果汁，要求请拍照上传，附上榨汁的材料、处理的方法、实验结果说明。

教师提出问题，要求学生出谋划策：为防止褐变，有些净菜加工基地超标准添加亚硫酸钠等含硫食品添加剂，导致蔬菜制品中的二氧化硫超标，引发食品安全问题。他们迫切希望寻求到安全有效的护色保鲜方法。请利用本堂课建构的概念积极献计献策。

在可能的情况下，学生走访中国茶叶博物馆，了解绿茶、红茶等的加工工艺；走访汇源果汁等果蔬加工基地，了解实际生产中的护色保鲜流程

4 教学反思

本节课是基于新课标“教学过程重实践”“通过探究加深对生物学概念的理解”理念指导下，通过实验探究进行概念教学的尝试课。整个概念形成经历3个环节：课前，学生在生活原型中感知概念；课中，学生在探索交流中建构概念；课后，学生在应用拓展中深化概念。由于实验探究的问题是来自学生生活中的真实问题，学生探究热情很高。通过真实问题的探究，学生不仅对概念本质有了深刻地理解，更关键的是习得了概念建构的科学方法，发展了科学探究的能力，提升了科学思维的品质，强化了社会责任意识。当然，这种教学模式对教师也提出了更高的要求，无论是问题的收集还是探究活动的组织，都需要精心筛选和设计。