基于假说演绎法的 “降低化学反应活化能的酶”（第1课时） 教学设计

滕远王

摘要 以“新鲜的猪肝与过氧化氢的反应实验”为情景主线，引用假说演绎法，依据实验现象，假设其细胞内有催化物质，运用对照实验探究其真伪，分析结果得出结论，让学生掌握严谨的科学探究方法。利用小组讨论、协同实验、跨越活动、游戏通关和家庭小实验等活动，让学生理解酶的催化作用，认识酶在细胞代谢中的重要意义，促进学生核心素养的发展。

关键词  酶的作用假说演绎法对照实验教学设计高中生物学

中图分类号 G633.91             文献标志码 B

文件编号：1003-7586（2023）03-0039-04

1 教材分析及设计思路

“降低化学反应活化能的酶”选自人教版高中生物学教材《必修1·分子与细胞》第五章第一节，内容包含酶的作用、本质和特性等。该节内容量较大，实验比较多，对学生来讲难度大，因此分为3个课时进行讲解，其中第1课时是基于实验探究酶的作用。学生在初中已学过消化与吸收等，后续将深入学习细胞中呼吸作用和光合作用等重要代谢反应，这些内容均离不开酶的作用。同时，本节课的重难点是控制实验变量的科学观念的建立，也是渗透假说演绎法的最佳实施位点，为后续学习孟德尔的豌豆杂交实验和摩尔根的果蝇杂交实验奠定基础。基于此，本项目的教学引用假说演绎法作为整节课的设计主线（图1），设置问题串驱动学生从现象到结论进行研究性学习，让学生体验完整的实验探究过程，培养学生的科学探究能力。

2 教学目标

（1）引用假说演绎法，通过实验现象到实验探究其真伪而得出结论的过程，体验严谨的科学探究流程，发展科学思维和探究能力。

（2）通过提出问题、演绎推理、分组实验和跨越活動等，发展高阶思维目标，提高合作互助的能力，增强社会责任感。

（3）通过角色转换、知识通关游戏和家庭小实验等，学生在实践中习得知识，提升解决实际问题的能力。

3 教学过程

3.1角色转换，实验引入

教师展示皮肤擦伤的照片，引入日常生活中用医用过氧化氢消毒液清洗伤口的情境。教师提问：过氧化氢消毒液涂在皮肤伤口上会出现什么现象？接着，教师拿出刀片和过氧化氢消毒液，提出运用实验的方式进行观察，并提问：能在人体上进行这个实验吗？根据学生的回答，教师强调选用实验材料要注意安全伦理问题并提议用新鲜的猪肝作为实验材料进行尝试。教师现场实验并在展示台上投屏，教师先用注射器取过氧化氢消毒液直接滴在新鲜的猪肝表面，然后用刀片在猪肝表面划几刀用以表示严重受伤的情境，并同样操作将过氧化氢消毒液滴到受伤的猪肝表面。实验结束后，教师请学生用语言描述实验现象。

设计意图：激起学生探究欲的情景引入是课堂成功的关键之一。通过猪肝与过氧化氢反应的实验，让学生现场观察到剧烈现象，激发学生的探究兴趣，为后续的主动学习奠定基础。

3.2假说演绎，实验探究

（1）实验现象分析

根据划伤的猪肝表面有大量的白色泡沫产生的实验现象。教师提出问题串：①白沫产生的原因是什么？可能是什么气体？②大量的气泡说明反应快，常温下过氧化氢会发生反应吗？医用的过氧化氢消毒液的说明书有效期是24个月，说明了什么？③根据该实验现象提出一个有实践价值的问题。

设计意图：观察实验现象是实验探究重要的一环。通过实验现象，教师引导学生对大量和气泡的两方面指标进行分析，进一步引导学生提出有实践价值的问题，发展学生的观察和思考能力。

（2）提出问题并做出假设

学生提出相关问题①猪肝受伤程度与过氧化氢的反应速率有关吗？②肝脏细胞能够促进过氧化氢反应吗？③肝脏细胞内有加快过氧化氢反应的物质吗？根据问题，学生做出假设：猪肝细胞内有加快过氧化氢反应的物质。有的学生则提出：猪肝细胞内没有加快过氧化氢反应的物质。

设计意图：爱因斯坦曾说过“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”。在教学过程中，“留白”能够给予学生较充足的时间和机会提出个人观点。教师引导学生在已有的知识或经验背景下对提出的问题作出假设，营造一种学生有思考敢发言的“生态”课堂，能够发展学生的逻辑思维能力、多维度看待问题的能力和表达能力。

（3）演绎推理

教师引导设问：在常温下过氧化氢反应缓慢，还有其它条件可以加快过氧化氢的反应吗？学生提出加热和无机催化剂如二氧化锰。教师继续提问：如果将猪肝细胞内的物质与过氧化氢反应比加热、无机催化剂的现象更剧烈，能够正是哪种假设？

设计意图：演绎推理是在未知实验验证的情况下进行的一种正反思维推测活动，能够培养学生的批判思维能力。本环节教师帮助学生回忆初中已有的知识，设置加热组和无机催化剂组，引导学生推理出过氧化氢酶的高效性。

（4）实验验证

教师提问：①如何使猪肝细胞内的物质释放出来？②单独的实验能说明该物质加快了过氧化氢的反应吗？③探究肝脏研磨液、加热、无机催化剂有催化作用需要什么实验材料呢？

根据学生的回答，教师提供体积分数为3%的 H2O2溶液、90℃的热水、质量分数为3.5%的 FeCl3溶液、新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液、注射器、气球、试管、滴管、卫生香、打火机等实验材料，并提示学生：①注射器相当于滴管和量筒，取过氧化氢溶液时快捷准确；②气球可以检测产生气体量的多少；③带火星的卫生香可以检测产生气体的种类。

教师利用问题串：①每组实验至少需要用几支试管？②每支试管准备用多少毫升的过氧化氢溶液？③肝脏研磨液和 FeCl3溶液准备滴几滴？剂量相同吗？④实验过程中是否需要注意试剂添加顺序？⑤实验过程中准备观察什么？引导学生做出自己的实验设计，小组合作展开实验探究。教师观察学生实验操作过程并及时指导，拍摄学生操作不规范的视频或照片。

实验结束后，教师展示学生操作不规范和实验结果不理想的视频或照片，如4号试管反应物从瓶口溢出、4号试管无法复燃以及催化剂滴加到试管壁等，让学生找一找问题与原因。接着，教师让学生代表展示实验结果记录表，再请其他学生一起补充修正。最后，播放实验效果好的视频。

教师展示完善后的现象记录表（表1），并提问：为什么加过氧化氢溶液的溶度和剂量要相同呢？根据学生回答，教师用数学方程式Y=X+a进行类比，明确实验的自变量、因变量、无关变量的定义并引导学生找出本实验中的自变量、因变量与无关变量。接着，教师提问：若将第1、2组的过氧化氢溶液剂量均改成3 mL，第1、4组还能对照吗？为什么？引导学生明确对照实验需要满足单一变量原则。接着，教师请学生分析第1、2组，第1、3组，第1、4组，第3、4组实验结果对照分别说明什么？学生分析后，教师展示两组数据：1滴 FeCl3溶液中 Fe3+数目是1滴肝脏研磨液中过氧化氢酶数目的25万倍，酶的催化效率是无机催化剂的107-1013倍。并提出问题：从酶催化的分子机理角度分析为什么酶具有更高的催化效率呢？

设计意图：设置小组方案设计、实验操作和结果分析等环节，培养学生的合作精神。用注射器替代滴管和量筒取样效果准确快捷，用气球可观察到气体产生的速率，实验结果分析能及时反馈学生的效果。教师用熟悉的数学方程变量思想类比实验控制变量，再展示数据从定性到定量，使学生理解酶催化的高效性，养成科学的思维习惯。

3.3跨越活动，探究本质

教师设置跨越游戏，用纸质的挡板代表化学反应需要的活化能。第一次，让一位同学直接跨越，该同学不容易跳过去；第二次，请另外同学抱起该同学后，该同学可以跨越过挡板；第三次，将挡板降低一定的高度后，该同学可以单独跨越过去；第四次，将挡板降低到很低，该同学轻松地跨越过去。游戏完成后，教师解释跨越过去就表示发生了化学反应（图2）。

接着，教师展示20℃时测定无催化剂、无机催化剂和过氧化氢酶条件下，过氧化氢分解的活化能分别是75 KJ/mol、54 KJ/mol、29 KJ/mol，并指出正是由于酶的催化作用，细胞内的化学反应才能在温和条件下快速有序地进行。最后，教师请学生找出细胞代谢的概念。

设计意图：设置跨越游戏让学生在活动中体验化学反应的原理，理解酶的催化机理，让学生形成“正是由于酶的催化作用，细胞代谢才能在温和条件下快速有序的进行”的结构与功能相适应观念。

3.4闯关游戏，巩固新知

基于希沃白板平台中的“课堂活动”模板设计了知识闯关游戏，设置8道判断题：①酶能为反应物提供能量（×）②酶能降低化学反应的活化能（√）③在实验中人为改变的变量叫因变量（×）④无关变量表示对实验结果无影响的变量（×）⑤活化能是指反应物分子从常态转变为活跃状态所需要的能量（√）⑥空白对照组的设置排除了自变量的影响（×）⑦酶在生物体外没有催化活性（×）⑧在人体细胞内可以通过加热来提高细胞代谢的速率（×）。教师将全班分为两组，各派一位选手，全组参与判断，结束后一起分析错误原因并及时修正。

设计意图：通过知识闯关游戏，教师在轻松有趣的环境中帮助学生夯实基础，增强学习的兴趣。教师能及时得到现场反馈并进行修正，达到教与学互动的效果。

3.5家庭实验，实践应用

教师展示家庭小实验任务单：①探究加酶洗衣粉和普通洗衣粉除污效果。②探究加酶洗衣粉在什么温度条件下除污的效果最佳。教师提示：①加酶洗衣粉除污效果与污渍的种类有关；②注意设置等温度梯度。请学生做一做并提交实验小报告。

设计意图：教师通过课外拓展實验，让学生巩固科学实验方法，培养学生解决实际问题的能力。

4 教学反思

本节课的教学中，教师曾尝试用教材中“问题探讨”的斯帕兰札尼实验、小番茄与过氧化氢反应实验、鸡蛋花和多酶片实验等导入，但均不能形成整体的探究。而现场用新鲜的肝脏与过氧化氢反应实验可以创设一个真实的实验情景，激发学生的探究欲，成为整节课的教学主线情景，让学生在真实情景中探究科学的本源，发展学生的科学探究能力。教师通过小组讨论、协同实验、跨越活动、知识通关游戏和家庭拓展实验等一系列活动，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力。

针对“角色转换”教学环节中，有学生提出的用云南白药清洗伤口的问题，教师及时补充对应的生活常识。在“提出问题”环节中，教师耐心的听取学生的问题，及时引导学生深度思考，如引导学生思考受伤比没受伤的猪肝要产生更多气泡的原因。在“设计实验方案”环节中，针对“每组实验至少需要准备几支试管”的问题，面对学生回答“需要增设加热与无机催化剂组以及无机催化剂与加酶组的2支试管”时，教师不作正面回答，而在明确单一变量原则后再请该学生回答为什么不需要用后2支试管，从而在教师的“生态”课堂中使学生会思考敢发言。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]张书玉.指向深度学习的论证式教学研究——以“降低化学反应活化能的酶”为例[J].中学生物教学，2020（22）：25-27.

[3]虞梦琦.高阶思维课堂教学实践——以“降低化学反应活化能的酶”为例[J].中学生物教学，2019（23）：18-20.