付 鑫 喬文軍

（1 北京市十一學(xué)校 北京 100039 2 北京教育科學(xué)研究院基礎(chǔ)教育教學(xué)研究中心 北京 100191）

1 指導(dǎo)思想

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課程標(biāo)準(zhǔn)”）已經(jīng)頒布，由此開(kāi)啟了新一輪的基礎(chǔ)教育課程改革。 新課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出“生物學(xué)課程既要讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識(shí)，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過(guò)程中所持有的觀點(diǎn)，以及解決問(wèn)題的思路和方法”的課程性質(zhì)。同時(shí)，新課程標(biāo)準(zhǔn)首次提出了“核心素養(yǎng)為宗旨”的基本理念。在新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的背景下，如何在面臨新標(biāo)準(zhǔn)、 新評(píng)價(jià)方案的教學(xué)年級(jí)中體現(xiàn)與實(shí)行現(xiàn)有方案的“經(jīng)驗(yàn)教學(xué)”的區(qū)別，是任教于2017級(jí)高一年級(jí)教師的挑戰(zhàn)。

通過(guò)對(duì)新課程標(biāo)準(zhǔn)中“學(xué)科核心素養(yǎng)與課程目標(biāo)”的分析，學(xué)生需要在新課程的教學(xué)實(shí)施過(guò)程中達(dá)成的不僅是應(yīng)對(duì)高考的學(xué)科知識(shí)與能力，更是富有生物學(xué)思維的問(wèn)題解決方法。 同時(shí)必須考慮到，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生需要有生物學(xué)領(lǐng)域中較高的視角，例如結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀等，甚至需要借助物理學(xué)、化學(xué)的知識(shí)與方法應(yīng)對(duì)問(wèn)題解決過(guò)程中遇到的各種狀況。 因此，自21世紀(jì)以來(lái)美國(guó)主流教育界所倡導(dǎo)的STEM 教育有必要在我國(guó)新課程方案實(shí)施中落地，且并不僅限于研究性學(xué)習(xí)和課外活動(dòng)，是將滲透在高中課堂中的重要思想［1］。

5E 教學(xué)模式將一節(jié)課或一個(gè)單元分為參與（engagement）、探 究（exploration）、 解 釋（explanation）、拓展（elaboration）及評(píng)價(jià)（evaluation）5 個(gè)階段，這一模式可在一堂課上全部體現(xiàn)，也可分布在某一單元乃至一學(xué)期中持續(xù)體現(xiàn)。 該種教學(xué)模式遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查、實(shí)驗(yàn)、解決問(wèn)題等探究活動(dòng)，主動(dòng)進(jìn)行科學(xué)概念的構(gòu)建及錯(cuò)誤概念的轉(zhuǎn)化。5E 教學(xué)模式自提出已經(jīng)過(guò)30 余年的實(shí)踐，受到課程專家及一線教師的普遍認(rèn)可，并成為美國(guó)生物科學(xué)課程研究所（Biological Sciences Curriculum Study, BSCS）倡導(dǎo)的制定教學(xué)計(jì)劃的主要模式。 利用5E 教學(xué)模式進(jìn)行生物學(xué)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，能很好地踐行新課程改革的思想［2］。

2 教材分析

2.1 內(nèi)容分析 酶是生物體內(nèi)驅(qū)動(dòng)各種化學(xué)反應(yīng)的催化劑，是細(xì)胞代謝正常發(fā)生的前提條件。酶的教學(xué)內(nèi)容是未來(lái)學(xué)習(xí)“細(xì)胞呼吸、光合作用”的重要前導(dǎo)知識(shí)，更回應(yīng)了學(xué)習(xí)“組成細(xì)胞的化合物”中蛋白質(zhì)相關(guān)內(nèi)容，是學(xué)生學(xué)習(xí)模塊1“分子與細(xì)胞”建立結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀的重要節(jié)點(diǎn)。酶的催化功能可顯著提升化學(xué)反應(yīng)速率，并將反應(yīng)條件的要求極大降低。 上述催化的機(jī)制基于化學(xué)基本原理，在教學(xué)實(shí)踐中大多數(shù)教師往往對(duì)這一部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，用“爬高峰”和“鉆山洞”比擬酶降低活化能的作用。然而，這種簡(jiǎn)單的比喻無(wú)法讓學(xué)生在本節(jié)學(xué)科內(nèi)容中樹(shù)立適宜的結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。 因此，如果向?qū)W生深入淺出地展現(xiàn)生物化學(xué)中酶降低活化能的“過(guò)渡態(tài)”理論，同時(shí)展現(xiàn)科學(xué)家在酶學(xué)研究過(guò)程中真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生用生物學(xué)家的視角解決科學(xué)問(wèn)題，從科學(xué)本質(zhì)的角度理解生物學(xué)現(xiàn)象和原理，能夠?qū)崿F(xiàn)新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)培養(yǎng)核心素養(yǎng)的要求。

2.2 學(xué)習(xí)需要分析 本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)容1 課時(shí)內(nèi)完成，要求學(xué)生在已學(xué)習(xí)“組成細(xì)胞的化合物”相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)。 學(xué)生在生活中對(duì)“酶”這一名詞耳熟能詳，必然會(huì)存在前科學(xué)概念。富有實(shí)踐意義的導(dǎo)入能探查學(xué)生已有概念，實(shí)現(xiàn)科學(xué)概念的轉(zhuǎn)化。本節(jié)內(nèi)容相對(duì)抽象，但教學(xué)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是將抽象的內(nèi)容具體化，用表征、引申等方式幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念。

2.3 關(guān)鍵術(shù)語(yǔ) 酶、過(guò)渡態(tài)、活化能、高效性、專一性。

2.4 重要概念

1）酶通過(guò)穩(wěn)定反應(yīng)物“過(guò)渡態(tài)”，降低了活化能，具有催化作用。

2）酶通過(guò)結(jié)合反應(yīng)物“過(guò)渡態(tài)”，增加反應(yīng)物有效濃度，體現(xiàn)出催化的高效性。

3）酶通過(guò)與反應(yīng)物“過(guò)渡態(tài)”的空間契合，體現(xiàn)出催化的專一性。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）說(shuō)出酶通過(guò)降低反應(yīng)活化能而催化生化反應(yīng)的機(jī)理。

2）說(shuō)出酶體現(xiàn)催化過(guò)程中體現(xiàn)的高效性和專一性。

3）分析資料中給定的信息，探究酶催化反應(yīng)的機(jī)制。

4）認(rèn)同酶作為催化劑在物質(zhì)代謝中體現(xiàn)核心地位的生命觀念。

5）體會(huì)利用新技術(shù)對(duì)假說(shuō)進(jìn)行論證的科學(xué)思維過(guò)程。

4 教學(xué)安排

1）授課對(duì)象：高一年級(jí)學(xué)生（包含選考與非選考生物學(xué)作為等級(jí)考試的學(xué)生）。

2）課時(shí)安排：1 課時(shí)。

3）教學(xué)策略：探究教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、5E 教學(xué)模式。

5 教學(xué)設(shè)計(jì)與過(guò)程

5.1 基于具體模型的探究（參與階段，engagement）

5.1.1 問(wèn)題的提出 教師展示化工廠和根瘤菌2幅圖片，從一個(gè)化學(xué)反應(yīng)N2+3H2→2NH3作為生物學(xué)課的導(dǎo)入。 教師指出氨的合成是人類生活生產(chǎn)中十分重要的化學(xué)反應(yīng)，然而相同的反應(yīng)在工業(yè)合成和生物固氮過(guò)程中所需要的條件千差萬(wàn)別，而小小的根瘤菌之所以有如此大的本領(lǐng)歸因于神秘的“E 物質(zhì)”的存在，從而引發(fā)學(xué)生的興趣。

5.1.2 “酶”概念的引入 首先，用鐵絲的焊接類比一個(gè)化學(xué)上的合成反應(yīng)（圖1），展示反應(yīng)所需的如電光火石般的強(qiáng)烈條件。

類似地，一條粗鐵絲的斷開(kāi)，如同一個(gè)化學(xué)分解反應(yīng)，仍然需要一個(gè)適宜的條件（圖2）。 由此類比，教師通過(guò)提出一個(gè)問(wèn)題串，引發(fā)學(xué)生思考，引出對(duì)反應(yīng)物“過(guò)渡態(tài)”的理解。 基于類似的生活經(jīng)驗(yàn)，以及設(shè)計(jì)中比較易于理解的模型，學(xué)生對(duì)此問(wèn)題起初并不難以回答。 教師需要引導(dǎo)學(xué)生從淺層次的感性認(rèn)識(shí)，向“物質(zhì)狀態(tài)與能量水平的關(guān)系”上進(jìn)行思考，樹(shù)立物質(zhì)與能量觀。 與此同時(shí)，提出類似于固氮菌中“E 物質(zhì)”的“鐵絲E”在鐵絲斷開(kāi)的過(guò)程中起到了加快變化過(guò)程的作用，引出學(xué)生對(duì)“E 物質(zhì)”作用機(jī)理的探求。

為探究“鐵絲E”的作用機(jī)理，建立在學(xué)生通過(guò)上述學(xué)習(xí)過(guò)程已經(jīng)得到“物質(zhì)狀態(tài)越穩(wěn)定能量越低，反之亦然”結(jié)論的前提下，教師拋出2 種大膽的猜想（圖3）。

組織小組活動(dòng)，對(duì)2 種猜想反應(yīng)物、“過(guò)渡態(tài)”和生成物3 種物質(zhì)狀態(tài)的能量水平進(jìn)行分析，在討論中生成如圖3 右側(cè)的能量變化曲線，指出如同掰斷鐵絲所用的“勁兒”是圖中哪一能量變化過(guò)程（ΔGN），引出反應(yīng)活化能的概念。 學(xué)生通過(guò)分析2 種猜想，比較2 種猜想中活化能的大小，能確定“鐵絲E”應(yīng)該穩(wěn)定“過(guò)渡態(tài)”而非鐵絲本身才能有效降低活化能，降低所用的“勁兒”，達(dá)到促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生的目的。

最后，通過(guò)總結(jié)“鐵絲模型”中模擬化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)狀態(tài)與能量水平變化的過(guò)程（圖4），指出生物化學(xué)反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)降低反應(yīng)活化能神秘“E 物質(zhì)”就是酶。 由此得到本節(jié)課第1 個(gè)重要概念：酶通過(guò)穩(wěn)定反應(yīng)物“過(guò)渡態(tài)”，降低了活化能，具有催化作用。

5.2 基于實(shí)驗(yàn)操作的探究（探究階段，exploration）

5.2.1 酶作用的高效性 在提出“酶”概念的基礎(chǔ)上，教師帶領(lǐng)學(xué)生探究具體一個(gè)酶（過(guò)氧化氫酶）的作用。 基于現(xiàn)有人教版必修1 《分子與細(xì)胞》第5 章第1 節(jié)“降低反應(yīng)活化能的酶”中比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解實(shí)例，組織學(xué)生進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1）在只加入過(guò)氧化氫溶液的試管中，學(xué)生觀察不到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 教師引導(dǎo)學(xué)生從前一階段“物質(zhì)狀態(tài)與能量水平關(guān)系”的結(jié)論中進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫難以自發(fā)分解的原因是因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)能量水平較高的“過(guò)渡態(tài)”，需要較高活化能才能完成反應(yīng)。就此，提問(wèn)如何讓反應(yīng)發(fā)生——提高反應(yīng)物的能量水平，引出下一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

2）加熱加入過(guò)氧化氫的試管，學(xué)生能觀察到試管壁上有氣泡出現(xiàn)，但衛(wèi)生香難以復(fù)燃。教師引導(dǎo)學(xué)生分析，這是由于加熱提高了反應(yīng)物的能量水平，從而達(dá)到“過(guò)渡態(tài)”對(duì)應(yīng)的能量從而引發(fā)反應(yīng)，產(chǎn)生了少量氧氣。 這時(shí)，學(xué)生經(jīng)過(guò)思考提出如果有物質(zhì)能穩(wěn)定“過(guò)渡態(tài)”，應(yīng)該在沒(méi)有加熱的條件下，引發(fā)過(guò)氧化氫的分解，從而引出下一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

3）在加入過(guò)氧化氫的試管中加入3 滴氯化鐵溶液，學(xué)生能觀察到有些許氣泡出現(xiàn)，并使衛(wèi)生香火星變大。在相同條件下，在加入過(guò)氧化氫的試管中加入3 滴肝臟研磨液，比較實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生能觀察到有大量氣泡產(chǎn)生，并使衛(wèi)生香猛烈復(fù)燃。教師展示氯化鐵和肝臟研磨液中過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫分解的示意圖（圖5），提問(wèn)2 種催化劑催化效果差異的原因?；瘜W(xué)基礎(chǔ)較好的學(xué)生能發(fā)現(xiàn)，氯化鐵催化過(guò)氧化氫分解的機(jī)理是將反應(yīng)分步進(jìn)行，分步反應(yīng)“過(guò)渡態(tài)”所需能量較低，從而實(shí)現(xiàn)降低活化能的效果。 但這一過(guò)程仍然依賴于整個(gè)反應(yīng)體系中分子間的隨機(jī)碰撞。作為催化劑的過(guò)氧化氫酶，通過(guò)一個(gè)腔隙收集反應(yīng)分子，結(jié)合之前的結(jié)論，這個(gè)腔隙不僅能穩(wěn)定“過(guò)渡態(tài)”，還能制造一個(gè)“局部空間”增大過(guò)氧化氫的有效濃度。由此得到本節(jié)課第2 個(gè)重要概念：酶通過(guò)結(jié)合反應(yīng)物“過(guò)渡態(tài)”，增加反應(yīng)物有效濃度，體現(xiàn)出催化的高效性。

5.2.2 酶作用的專一性 在以上4 組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)始對(duì)2 種酶（過(guò)氧化氫酶和淀粉酶）進(jìn)行研究。 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有教材“探究淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的水解”基礎(chǔ)上進(jìn)行了改編，利用圖6 的實(shí)驗(yàn)裝置，成為上節(jié)實(shí)驗(yàn)的延續(xù)，探究過(guò)氧化氫酶和淀粉酶的作用。

教師引導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器，利用過(guò)氧化氫、淀粉溶液、過(guò)氧化氫酶、淀粉酶4 種實(shí)驗(yàn)試劑探究酶作用的“門當(dāng)戶對(duì)”。 學(xué)生對(duì)本設(shè)計(jì)改良的實(shí)驗(yàn)興趣盎然，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新情境下的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。

通過(guò)小組間的相互啟發(fā)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有反應(yīng)物與酶一一對(duì)應(yīng)時(shí)才會(huì)發(fā)生反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，教師再次引導(dǎo)學(xué)生回顧上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)，分析過(guò)氧化氫酶的腔隙與反應(yīng)物之間結(jié)合的條件，從而得出本節(jié)課的第3 個(gè)重要概念：酶通過(guò)與反應(yīng)物“過(guò)渡態(tài)”的空間契合，體現(xiàn)催化的專一性。

5.3 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)象解釋（解釋與延伸階段，explanation and elaboration） 在得到本節(jié)課3 個(gè)重要結(jié)論的基礎(chǔ)上，教師提出一個(gè)更富有挑戰(zhàn)性的新問(wèn)題。 該問(wèn)題基于脯氨酸的異構(gòu)化反應(yīng)，已知脯氨酸類似物與脯氨酸“過(guò)渡態(tài)”類似物均能抑制上述反應(yīng)發(fā)生，提問(wèn)學(xué)生哪種抑制劑的效果更強(qiáng)（圖7）。

隨著這一新情境的出現(xiàn)，學(xué)生需要縱觀本節(jié)課的3 個(gè)重要概念，并緊扣“過(guò)渡態(tài)”這一線索進(jìn)行思考。抑制劑發(fā)揮作用的原因是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)與酶空間結(jié)構(gòu)中的腔隙契合，實(shí)現(xiàn)與反應(yīng)物、“過(guò)渡態(tài)”分子進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，抑制了化學(xué)反應(yīng)。 而正是由于酶的催化機(jī)理是穩(wěn)定“過(guò)渡態(tài)”，“過(guò)渡態(tài)”與酶的結(jié)合能力強(qiáng)于反應(yīng)物與酶的結(jié)合能力，因此上述2 種抑制劑中“過(guò)渡態(tài)”類似物具有更強(qiáng)的抑制效果。

這一情境的設(shè)置幫助學(xué)生回顧整節(jié)課的重要概念，引發(fā)學(xué)生的課堂內(nèi)容核心的回顧，并用已學(xué)知識(shí)靈活地解釋現(xiàn)象，對(duì)學(xué)生的認(rèn)知能力、遷移能力有較高的要求，更是對(duì)學(xué)生是否理解科學(xué)本質(zhì)的重要檢驗(yàn)。

5.4 應(yīng)用概念解決實(shí)際問(wèn)題（評(píng)價(jià)階段，evaluation）

作為本節(jié)課的收尾，教師利用一則科學(xué)史材料，從Pollack 提出酶催化反應(yīng)的“過(guò)渡態(tài)”假說(shuō)進(jìn)行證實(shí)的實(shí)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生回答問(wèn)題。本設(shè)計(jì)中問(wèn)題的設(shè)置參考了新課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)學(xué)業(yè)水平的4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，充分體現(xiàn)新評(píng)價(jià)方案的特點(diǎn)。

作為評(píng)價(jià)題目，本題具有大量的新信息，同時(shí)包含生物學(xué)科中多個(gè)主題，對(duì)學(xué)生的分析能力和綜合運(yùn)用能力有很高的要求。 雖然學(xué)生暫且沒(méi)有掌握“抗原－抗體反應(yīng)”的基礎(chǔ)知識(shí)，但通過(guò)深入淺出的題目敘述，他們能尋找到題目信息中的邏輯關(guān)系。 4 個(gè)小問(wèn)題所要求的學(xué)業(yè)能力水平層層遞進(jìn)，能對(duì)不同層次的學(xué)生進(jìn)行診斷。 同時(shí)，第4問(wèn)中情境的設(shè)置貼近學(xué)生的生活，對(duì)健康生活進(jìn)行宣揚(yáng)，學(xué)生通過(guò)所學(xué)知識(shí)對(duì)社會(huì)問(wèn)題進(jìn)行解決，凸顯了新課程標(biāo)準(zhǔn)中“社會(huì)責(zé)任”這一核心素養(yǎng)的落地。

6 教學(xué)反思

本節(jié)課具有較強(qiáng)的思維含量，通過(guò)基于材料的探究、基于實(shí)驗(yàn)的探究等多種探究方式，對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維能力進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)層層深入的情境設(shè)置帶領(lǐng)學(xué)生深入教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)。 由于課堂容量很大，對(duì)教師和學(xué)生都提出了挑戰(zhàn)。但是在實(shí)踐中，學(xué)生樂(lè)于接受這些挑戰(zhàn)，只有符合學(xué)生認(rèn)知水平而又富有挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)任務(wù)才能引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在學(xué)習(xí)中挑戰(zhàn)自我、超越自我。 在不同的學(xué)校進(jìn)行本節(jié)課的教學(xué)實(shí)踐證明，不同層次的學(xué)生能達(dá)成的水平并不一致，這也恰恰符合新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)要求。 教師可根據(jù)本校學(xué)生的實(shí)際情況對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行刪減、重構(gòu)，以適合學(xué)生的學(xué)習(xí)。