“酶的作用和本质”概念教学的组织*

赵广宇 汪绍鑫 徐 杰 谢咏梅

（1成都市石室中学 四川成都 610041 2四川成都武侯区教科院 四川成都 610041）

1 学习内容分析

“酶的作用和本质”是人教版必修1第5章第1节的教学内容，核心任务是引导学生从酶的功能、化学属性、作用机理等角度认识酶的本质与作用，构建“酶”的概念。在《普通高中生物学课程标准（2017年版）》必修1的内容要求中，有关“酶”的概念是分列在大概念2“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”中，是重要概念“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”的下位概念，即“说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到环境因素（例如 pH 值和温度等）的影响”［1］。

围绕与酶相关的概念，以“说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质”为中心，确定本节课的概念体系如下：

A.酶的化学本质是有机物

A1.绝大多数酶是蛋白质

A1.1酶的发现史

A1.2实验验证木瓜蛋白酶的化学属性是蛋白质

A2.少数RNA也具有生物催化功能

A2.1科学史料证明某些RNA也具有催化功能

B.酶具有催化作用

B1.酶的催化作用具有高效性

B1.1实验证明酶具有催化作用，且催化作用具有高效性

B2.酶能显著降低化学反应的活化能

以上概念间的关系可用概念结构图（图1）表示。

图1 酶的概念结构图

2 学习目标

1）说出细胞代谢的概念；阐明酶的概念；说明酶在细胞代谢中的作用；建立细胞的功能是绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域的生命观念。

2）尝试设计实验，学会设置对照、控制变量；学会处理实验数据，得出科学结论；体验基于实验的科学探究方法。

3）通过实验探究、资料分析，探究酶的概念内涵；领悟基于实验及生物学事实的概念构建；学会运用归纳与概括形成生物学概念的科学思维方法。

3 教学设计思路

教材第5章第1节的教学内容包括了“酶的作用和本质”“酶的特性”，本节课选择“酶的作用与本质”作为教学内容，目的是引导学生建立“酶的概念”。

根据以往的教学经验，学生以接受学习的方式学习这部分内容，能掌握“酶”的概念。但基于引导学生自主构建概念的需要，笔者尝试采取实验探究结合资料分析的教学方式，设计相应的学生探究实验，以期引导学生通过观察实验现象、分析实验结果，感知酶的化学属性和功能；通过对科学史资料的分析，获取更多的生物学事实，为构建“酶的概念”奠定坚实基础。

在教学过程中，以螺旋上升式的问题驱动学生的学习活动，促使学生积极主动思维，自主构建概念，真正领悟概念内涵，帮助学生达成对“酶的概念”的理解，实现培养核心素养的目的。

4 教学过程实施

4.1 学习科学史实，感知探究历程

4.1.1 学习代谢概念，提出探究问题 教师引导学生首先回顾初中学习过的光合作用等新陈代谢活动，其次回忆新陈代谢的概念。在此基础上，再引出新陈代谢概念的本质——细胞内发生的化学反应。提出问题：细胞内的化学反应为什么能在常温、常压下迅速完成？什么是酶？酶的物质属性是什么？如何知道酶具有催化功能？

4.1.2 感知酶的发现，探究化学属性 教师以教材中“酶的本质”部分的“材料分析”内容为基础，并补充部分科学史实资料，感受“酶”的发现历程（图 2）。

图2 酶的发现历程

提出问题：酶的物质属性是否为蛋白质？如何验证？学生根据已有知识，迅速回答：用双缩脲试剂检验。

教师提供木瓜蛋白酶试剂、双缩脲试剂及器材，由学生自主完成实验，结果达到预期（图3）：检验的样品出现紫色，证明木瓜蛋白酶的化学属性是蛋白质。

图3 木瓜蛋白酶化学属性的鉴定

教师提供新的资料：1971年，奥尔特曼用大肠杆菌进行tRNA合成的研究，他顺利找到了核糖核酸酶P，其功能是切开RNA链上的磷酸二酯键，释放出最终的tRNA。这种本质为RNA的酶能加速反应而不被消耗，完全符合酶的特性。1986年，切赫在四膜虫中发现有一种RNA具有自我剪接的双向催化作用，具有类似酶的作用，且既表现有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性，在一定条件下能像酶一样催化寡聚核糖核苷酸底物的切割或连接。其后，其他的科学家陆续发现更多的具有催化自我剪接功能的RNA［2］。

学生分析并得出结论：切赫、奥尔特曼等科学家在不同的实验室，用不同的实验材料均证明某些RNA分子具有生物催化的功能，即具有酶的催化功能。说明酶的化学本质主要是蛋白质，少数RNA也具有催化功能。

4.2 设计定量实验，探究酶的作用

4.2.1 完成教材实验，获取实验现象 如何设计实验证明酶的催化功能？教师指导学生完成教材实验“比较过氧化氢在不同条件下的分解速率”，得到预期的结果。教师要求学生分析实验结果、得出结论。学生的结论：过氧化氢在常温下能够分解；加入FeCl3（无机催化剂），反应速度加快；加入酶（生物催化剂），反应速度最快。教师追问：3种条件下，反应速度差异有多大？学生认为需进行定量实验检测，但不知如何开展定量实验。

4.2.2 运用新型装置，定量测定速率 教师提供可定量测定实验结果的简易装置（图4）：在白色塑料瓶中盛装反应液，在瓶口处连接导气软管，软管末端加重使之能沉入水中，待气泡流速较稳定时计数，测定每分钟产生的气泡数。该装置材料简单易得、方便制作，产生的气泡速率稳定、在水中现象非常明显，易于观察计数，可在一定程度上定量测定酶促反应的速率。

图4 测定酶促反应速率的装置

学生运用该装置，设计了4组对照实验：常温（37℃）、高温（100℃）、加 FeCl3（无机催化剂）、加新鲜猪肝研磨液（过氧化氢酶），实验结果如表1。

表1 不同处理条件下H2O2分解产生气泡的平均速率

4.2.3 分析实验结果，得出实验结论 学生根据实验结果，得出结论：高温能加速过氧化氢的分解；无机催化剂能进一步加速过氧化氢的分解；酶能显著加快过氧化氢的分解。

教师引导学生深入思考：酶能在常温、常压下显著加快反应速度，成为生物体进行生命活动的良好催化剂，其作用机理是什么？

4.3 运用动画技术，阐明作用机理 教师抓住学生的疑惑，引出活化能的概念：分子从常态转化为容易发生化学反应的活跃状态需要的能量。正常状态下，只有极少数的过氧化氢分子具有足以发生反应的活化能，故常温下过氧化氢分解很慢。加热、氯化铁、过氧化氢酶都可加快化学反应，其原理是什么？

教师要求学生阅读教材，并巧妙地结合动画（图5）进行讲解：加热、加压都是为分子提供能量，获得能发生化学反应的活化能；无机催化剂和酶都是降低化学反应的“门槛”——活化能，加快化学反应速率。正因为有酶的作用，细胞代谢才能在温和条件下快速进行，满足生命活动的需求。

图5 各种加快化学反应速率的原理动画截图

4.4 归纳探究结论，构建酶的概念 教师引导学生在探究性学习的基础上，归纳、概括“酶”的概念。1）酶的化学本质：绝大多数是蛋白质，少数是RNA。2）酶的功能：能显著降低化学反应活化能的，起催化作用的物质。3）酶的来源：核糖体或者细胞核。教师引申出是“活细胞”。最终构建酶的完整定义：酶是活细胞产生的具有催化功能的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。

5 教学反思

5.1 挖掘概念内涵，丰富概念体系 酶的概念内涵丰富，其中酶的作用机理又较复杂，学生自主构建概念的难度较大。因此，教师梳理概念各要素之间的关系，引导学生从酶的功能、作用机理、本质和来源等方面多维度探究概念的内涵，在感知事实性知识的基础上，自主构建酶的概念。

5.2 灵活运用教学手段，逐渐构建概念体系 在教学过程中，教师采用灵活的教学手段，依次通过阅读教材、分析资料、实验探究、动画演示等多种形式，有效地激发了学习的兴趣和思考的激情，让学生独立思考，积极合作，亲自操作，最终自主构建“酶的概念”。