核心素养视域下高中生物科学探究能力的提升——以“酶的特性”为例

福建省三明第一中学 黄晓明

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》的设计宗旨和实施的基本要求是要着眼于学生适应未来社会发展和个人生活的需要，从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等方面发展学生的学科核心素养。“科学探究”作为核心素养的重要组成内容，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交流与讨论的能力。探究实验的设计和实施作为高阶的科学探究在高考中占比较大，教师对学生的科学探究能力进行提升培养，有利于提高学生的解题能力和学科核心素养。下面以“酶的特性”为例，介绍在日常教学中对学生生物学科学探究能力进行提升培养的策略。

一、分析教材和学情，制定教学策略

对教材和学情进行分析，根据教学内容和学生的具体学习特点制定教学策略，可起到事半功倍、有效提升科学探究能力的效果。“酶的特性”是人教版高中生物必修1“分子与细胞”第5 章第1 节“降低化学反应活化能的酶”第2 课的内容。细胞内的物质转化和能量转化离不开酶的作用，理解酶的特性，能为后续章节ATP、细胞呼吸、光合作用等一系列酶促反应的学习奠定基础。酶的特性表现在高效性、专一性、作用条件较温和三个方面。其中酶具有高效性在前一节“酶的作用和本质”中已由学生通过实验探究获得，对于酶具有专一性可通过引导学生改变底物或酶的类型轻松突破，因此酶的作用条件较温和是本节内容的探究重心。通过上一节内容“酶的作用和本质”的学习，学生对酶有了初步的认识，并掌握了一定的发现问题、提出假设、设计实验以及进行科学探究的一般方法，但较高水平的可行性实验方案的设计与实施对学生能力要求较高，“影响酶活性的条件”的实验就是属于高阶水平的探究，因此引导学生完成该实验的设计与实施是本节内容的教学难点。

二、设置问题串，提升科学探究能力

组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养培养的关键。学生在现有知识的基础上自主设计实验方案，教师通过问题串引导学生一步步完善实验方案，拓展学生科学探究学习的深度和广度，通过多个实验反复的操练，有利于提升学生生物学科学探究的能力。

（一）选择材料器具和初步设计实验方案

教师引导学生在课前查阅相关文献，在实验室现有条件基础上对材料器具进行选择，为设计合理的方案做准备。探究“影响酶活性的条件”，教师可通过设置问题串引导学生进行设计，如：（1）“探究温度对酶活性的影响”原理是什么？应选择什么酶？为什么？（2）选择了酶之后要选哪些对应的试剂和器具？（3）实验设计的基本原则有哪些？（4）实验实施中如何遵循这些基本原则？（5）实验过程中有什么需要注意的事项？学生一般会想到科学性原则、对照性原则、单一变量原则、等量原则等，并根据这些实验原则设计出初稿。在教学实际中，学生会提出不同的实验材料选择，教师应鼓励学生根据自己的选择大胆设计实验并实施实验，允许学生试错，才能让学生深入理解实验原理和生物课程知识，达到意想不到的教学效果。

（二）完善实验设计

高中生物科学探究实验中自变量和因变量的确定是最根本的，学生会把较多的思考放在如何设置自变量的问题上，而无关变量容易被学生忽视。无关变量是指实验过程中会对实验结果造成影响的一些其他可变因素。实验设计时不考虑无关变量，可能会导致整个实验的失败。很多考试中对无关变量的考查，体现了对实验设计严谨性、细致性的要求，对学生的思维能力和问题分析能力都有了更高层次的要求。因此，在实验设计过程中引导学生对无关变量进行控制，是提升科学探究能力的一个途径，也更符合教学大纲的要求。

教师通过问题串引导学生对实验步骤初稿进行完善，每个问题尽量让学生多思考为什么、实验设计是否合理、涉及的实验原理、需要考虑的无关变量等。以“探究温度对酶活性的影响”（见下表）为例，教师通过问题串不断引导学生完善实验步骤，形成定稿。

“探究温度对酶活性的影响”实验操作流程

学生在完成实验“探究温度对酶活性的影响”后，再举一反三设计实验“探究pH 对酶活性的影响”就容易多了。学生的实验设计方案并不是唯一的，不同的小组设计出来的方案差别较大，教师要尽可能地帮助学生完善实验设计，同时指出他们容易忽略的关键问题，在反复的实验设计和修改中，提升学生生物实验设计的能力。

三、构建数学模型，进一步提升科学探究能力

通过探究实验“影响酶活性的条件”，学生的实验设计能力得到了提升。在“探究温度对酶活性的影响”时，教师可进一步引导学生设置一系列温度梯度或以反应时间为自变量，以淀粉和碘液反应的蓝色深浅为观测指标，并将实验结果绘制成坐标曲线图，从而构建数学模型。如酶促反应需要一定的时间，时间不同淀粉水解程度也不同。酶促时间太短就滴加碘液，三支试管有可能都出现蓝色，时间过长淀粉可能彻底水解，根据这个可以引导学生设计实验验证“时间对酶促反应速率的影响”。每隔1 分钟分别从试管中取5 滴溶液与1 滴碘液滴在点滴板上鉴定，观察颜色的变化并记录。

“探究pH 对酶活性的影响”也可以设置一系列pH 梯度，以产生气泡的多少（氧气释放量）作为观测指标绘制曲线图。为了使测定更精确，学生可使用电子pH 计，在实验过程中使用氧气传感器进行检测，让实验结果更加准确。学生把实验探究的结果构建成数学模型并进行分析，把复杂的研究对象转化为简化后的数学问题，用数学关系式呈现研究对象的关系，从理论到实践再到理论，进一步提升科学探究能力，加深对“酶的特性”的直观理解，体验科学探究过程。这种构建数学模型的思维结合生物学规律和原理，设计并实施可行的实验方案，已经达到了科学探究培养的高阶水平（水平三、水平四）。

四、课后反思与延伸探究

学习是师生互动的过程，教师反思可总结经验、改进教学，弥补教学过程中的不足，指导今后的教学，提高课堂教学的有效性。但光有教师的反思是不够的，学生是学习的主体，学生主动反思具有更大的能动性，能充分挖掘其思维潜能和探究潜能。一个实验的结束并不意味着停止，不论实验成功与否，引导学生对实验过程和结果进行分析、反思，促使学生养成反思习惯，总结利弊，改进实验设计，都能提升学生的科学探究素养。提升科学探究素养，不只是积累知识，更是授之以渔，是为了学生在日后生活和学习中能掌握发现问题、分析问题、解决问题的能力。教师可适当留一些待探究的问题，让学生在今后的学习和生活中时时处处进行科学探究。

“影响酶活性的条件”这个探究实验受限于教学时间和实验设备，不能在课堂上深度展开，而学生在实验过程中会激发更多的奇思妙想，如有的学生会提出“用过氧化氢酶来探究温度对酶活性的影响是否可行、唾液淀粉酶和工业淀粉酶做实验有什么区别、实验中用斐林试剂来鉴定实验结果是否可行、可否用淀粉酶来探究pH 对酶活性的影响”，还有的学生提出“用底物浓度或者酶量等作为自变量来探究影响酶活性的条件”……教师鼓励学生将这些问题作为研究性学习的内容进行延伸探究，利用课余时间经过小组充分讨论实验的可行性，大胆设计并实施实验，将实验结果绘制成图就得到了唾液淀粉酶与工业淀粉酶的最适温度不同的结论，以及酶促反应速率与底物浓度的曲线图、酶促反应速率与酶量的曲线图等。教师引导学生将这些实验结论、曲线图与相应的试题相结合，对可能的结果做出预测和解释，能有效地培养学生的科学思维方式和解题能力。这些课后反思与延伸探究引发了学生进一步探究的欲望，教师通过引导和保护学生的探究欲，提供适当的探究条件，培养学生的探究精神，有助于提升学生的生物学科学探究核心素养。

教师不囿于教材或文献提供的材料和实验方案，给予学生自由发挥的空间，有利于学生在充分讨论和查阅资料中获得知识的升华和能力的提升。核心素养视域下的高中生物科学探究以理论为指导，以科学实践为途径，紧扣生物学科核心素养，有利于培养和提升学生的科学探究水平，将培养目标落实到日常课堂教学中去。