基于科学探究能力培养的二次实验教学模式——以“影响酶活性的条件”为例

商 文 薛艳芳

（1.广州市天河外国语学校 广东广州 510627）

（2.广州市第二外国语学校 广东广州 510540）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出学生应当具备的核心素养之一是“科学探究能力”。科学探究是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。学生应在探究过程中，逐步增强对自然现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力；在探究中，乐于并善于团队合作，勇于创新。

二次实验法模式是一种基于建构主义学习理论，以及探究性教学模式发展而来的实验教学模式，即针对教材中的一个实验，进行两次，给学生不同的体验。第一次是传统性的实验（可以是验证性实验，也可以是定性实验）；第二次是针对第一次实验中产生的问题，依据同样的原理或同样的教学目的从不同角度或同一个角度，对实验进行重新设计进行第二次的实验（可以是探究性实验，也可以是定量实验）。它由理论学习——初次实验——二次实验——实验评价等阶段组成。二次实验法模式的主要步骤如图1所示。

图1 二次实验法模式主要步骤

1 二次实验法模式的教学案例

以人教版生物学《必修1·分子与细胞》第五章第一节“酶的特性”相关的实验“探究影响酶活性的条件”为例，探讨二次实验法教学模式在生物学实验教学中的应用。

1.1 实验课题分析

在学习该内容前，学生已了解了实验设计中各种变量的含义。通过本课题的学习，学生将学会通过设定自变量、观察因变量以及控制无关变量的变量设计方法进行科学实验设计，从而加深对有关实验原则的理解和对酶本质与特性的认识，进一步巩固和提高提出问题、做出假设的能力，提高分析问题、解决问题的能力并掌握数学建模的方法，为后阶段探究实验的开展奠定基础。

1.2 实验过程

1.2.1 情境创设，任务驱动

教师提供资料，并提出问题:荔枝等水果之所以会变褐色，是由于细胞中多酚氧化酶作用下，产生了大量褐色物质所致。民间保鲜荔枝常常把荔枝在沸水中浸泡几秒钟或把荔枝浸泡柠檬酸2 min，从而可以延长果皮变褐色的时间。由以上资料分析，能提出什么值得探究的问题？pH是否会影响酶活性？

1.2.2 变量讨论，确定方案

教师首先复习实验设计的一般步骤以及实验变量。然后，将全班分为两大组，一组用淀粉酶做实验，另一组用过氧化氢酶做实验。教师要提醒学生在设计实验时着重讨论以下3个问题:

①实验中自变量与因变量分别是什么？

②如何测定因变量？

③如何控制无关变量？

在讨论阶段，教师可重点组织学生探讨:在因变量的测定上，使用淀粉酶做实验材料的组别究竟是用碘液测定淀粉，还是使用斐林试剂测定还原糖？使用过氧化氢酶做实验的组别用什么方法对氧气进行测定？

该环节的设计主要目的是通过对实验变量的讨论，学生逐步掌握通过变量控制设计科学实验的方法，并针对课本上有关使用过氧化氢酶探究pH的影响，使用淀粉酶探究温度的影响的建议进行材料选择的探究。表1与表2分别是两个组别经过讨论后最终确定的实验方案。

表1 探究pH对淀粉酶活性影响的实验步骤

表2 探究pH对过氧化氢酶活性影响的实验步骤

1.2.3 初次实验，提出问题

学生依据制定的方案，按照事先的分工，开展实验。教师指导实验，并参与小组讨论。实施完第一轮实验后，小组自我验证质疑，分析实验结果是否与假设相吻合。教师挑选有代表性的小组（淀粉酶组与过氧化氢酶组各派一个代表）到讲台上展示设计方案与结果。教师组织全班学生交流讨论，围绕实验操作的方法以及实验中出现的问题，引导其他学生进行分析评价。

1.2.4 解释现象，得出结论

教师展示淀粉酶组用碘液鉴定淀粉时添加氢氧化钠的试管中不会变蓝的实验现象，并给予学生发表各自独特见解的机会。最后，适时补充碘与氢氧化钠会发生反应，从而把碘消耗的化学知识。教师引导学生思考如何验证解释，使学生最后确定使用过氧化氢酶作为本实验材料更好，通过排水法收集气体更能准确反映酶的活性。这样为下一步寻找最适pH提供实验依据，并引导学生归纳得出实验结论。该环节中，当实验结果与预设不一致的时候，是最能激发学生兴趣，积极探究的时刻。教师应当给予学生充分发表自己看法或解释的机会。无论对错，只要学生能发表自己的看法，教师就要给予积极的评价，从而提升学生发现问题，解决问题的能力。

1.2.5 提升思维，确定方案

教师引导学生讨论、思考以下问题:

①如何才可以找到酶的最适pH？只取3个pH可以吗？

②如何准确地测定气体产生量？

③如何让数据更准确一些？

学生通过小组讨论，最终形成共识，并完成实验步骤（表3）的设计:

①通过设置系列pH梯度来找到酶的最适pH。

②通过使用量筒排水收集气体的方法，准确地测定气体产生量。

③通过数据取平均值等方法可以让数据更准确一些。

表3 探究过氧化氢酶最适pH的实验步骤

由于该部分实验操作较为复杂，需要教师演示实验操作过程。该环节在完成定性实验的基础上，尝试将实验继续深入到定量实验，有利于提升学生思维的深度，同时也为后阶段的定量实验设计打下基础。

1.2.6 再次实验，记录数据

学生按步骤实施实验，记录实验结果。小组汇集实验数据，小组派代表将数据书写在黑板表格中。实验过程中，教师巡视指导实验。

1.2.7 构建模型，深化拓展

小组学生代表将实验结果描绘在以pH为横坐标、酶活性为纵坐标的坐标系上，并展示在黑板。最后，教师引导学生根据实验结果得出最适pH的范围。教师引导学生分析:除了pH对酶活性有影响外，还有哪些因素也可以影响酶的活性？并建议学生利用荔枝为实验材料，自己设计实验继续探究温度对酶活性的影响。

2 思考与启发

“探究影响酶活性的条件”这节实验课在教材安排中，是学生接触到的第一个真正意义上自主开展探究的实验课。其最主要的教学目标之一就是要让学生学会使用控制变量的方法来设计科学实验。

为了增强学生实验设计的能力，教师采用两次实验操作的教学策略，让学生能有机会在第二次实验设计中，应用第一次实验设计的经验与总结，从而能更好地完善第二次的实验设计。由第一次的定性实验提升到第二次的定量实验，既充分锻炼了学生实验设计的能力，也使得学生的思维得到更进一步的加深。

高中生物教材中有许多实验都可以尝试开展二次实验教学的模式，除了“探究影响酶活性的条件”外，“探究植物细胞的失水与吸水”“探究提取和分离绿叶中的光合色素”等探究实验也都适合此种实验教学模式。