張亞慧 郭 莉 楊文源

（1 北京大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100190 2 首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院 北京 100037）

1 設(shè)計(jì)思路

杜威的“實(shí)用主義理論”強(qiáng)調(diào)“從做中學(xué)”，他認(rèn)為學(xué)習(xí)就應(yīng)該在真實(shí)的生活情境中，在情境中發(fā)現(xiàn)疑難并提出問題，通過一定的邏輯思維作出假設(shè)，用實(shí)際行動檢驗(yàn)假設(shè)，解決實(shí)際問題，即“困難—問題—假設(shè)—論證—檢驗(yàn)”5 步思維方法。這也是科學(xué)研究的一般思路，是中學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)的思路，更是本節(jié)課的教學(xué)思路。

在本節(jié)教學(xué)中，教師拋出喝茶對防治糖尿病是否有幫助的生活情境，將擬解決的首個問題確定為“茶多酚是否會影響人唾液淀粉酶的活性？ ”［1－3］，讓學(xué)生自己查閱資料、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，親身經(jīng)歷科學(xué)研究的過程，通過不斷揣摩茶多酚與人唾液淀粉酶的關(guān)系，最終落實(shí)“酶的空間結(jié)構(gòu)影響酶的活性”的核心概念。在實(shí)驗(yàn)過程中讓學(xué)生領(lǐng)悟探究性實(shí)驗(yàn)研究中對變量的控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等方法，訓(xùn)練理性思維，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建相關(guān)概念，進(jìn)而形成“結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一”的生物學(xué)觀念。同時(shí)，大實(shí)驗(yàn)是以小組合作的形式完成的，學(xué)生從合作中感悟并承擔(dān)社會責(zé)任。最終，通過這種“科學(xué)大實(shí)驗(yàn)”，將新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)的“生命觀念、理性思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任”生物學(xué)核心素養(yǎng)落到實(shí)處［4］。

2 教學(xué)內(nèi)容的組織

2.1 教材分析 該主題學(xué)習(xí)是基于人教版必修1 第4 章第1 節(jié)“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”進(jìn)行的，在第2 章講蛋白質(zhì)時(shí)學(xué)生已了解蛋白質(zhì)的功能之一是催化作用，絕大多數(shù)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。在第5、第6 章會講到呼吸作用、光合作用、細(xì)胞分裂、細(xì)胞衰老凋亡癌變等代謝過程中都離不開酶的參與，可以說酶很好地承接了前面的“蛋白質(zhì)”專題，開啟了后續(xù)“細(xì)胞代謝與生命歷程”的篇章。在這里向?qū)W生講清楚酶的本質(zhì)、酶的活性，對理解很多生物學(xué)過程具有非常重要的意義。

本主題的概念如圖1所示，酶在細(xì)胞代謝中降低化學(xué)反應(yīng)的活化能；酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的有催化作用的有機(jī)物，絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)；酶具有高效性、專一性的特性；酶的活性受溫度、pH、抑制劑和激活劑等因素的影響。核心概念是“酶的空間結(jié)構(gòu)影響酶的活性”。通過“探究茶多酚對人唾液淀粉酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識的內(nèi)化和探究能力的提高。

2.2 學(xué)情分析 學(xué)生在第2 章學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，已了解蛋白質(zhì)的功能之一是催化作用。通過預(yù)習(xí)，學(xué)生也知道酶具有高效性和專一性、作用條件溫和；但一直不能理解酶為什么具有這些特點(diǎn)？生物體內(nèi)的酶到底如何發(fā)揮作用，即催化機(jī)理到底是什么？ 這是本節(jié)課要解決的問題。

從化學(xué)反應(yīng)的角度，學(xué)生對“酶的活性”有一定的直觀了解，也具備了基本的科學(xué)探究能力。學(xué)生助教可幫助教師在實(shí)驗(yàn)課上指導(dǎo)其他學(xué)生。此外，實(shí)驗(yàn)室具有移液器、水浴鍋和分光光度計(jì)等器材。因此，通過探究實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生作出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)驗(yàn)證假設(shè)，不斷思考茶多酚是否影響人唾液淀粉酶的活性及其影響機(jī)理是可行的。

2.3 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：①了解酶的空間結(jié)構(gòu)、外界條件對酶活性的影響；②了解唾液淀粉酶的催化機(jī)理；③了解分光光度法測定物質(zhì)含量的原理。

2）能力目標(biāo)：①從分子層面理解結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生物學(xué)觀點(diǎn)；②讓學(xué)生親歷思考和探究的過程，領(lǐng)悟科學(xué)探究的一般方法；③掌握對照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則。

3）情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：①認(rèn)同生物學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)；②認(rèn)同任何生物學(xué)問題都可以到分子層面尋找答案；③通過自主探究，激發(fā)學(xué)生對生物學(xué)的學(xué)習(xí)熱情；④個人任務(wù)和小組任務(wù)相結(jié)合，培養(yǎng)既能自主思考又會團(tuán)隊(duì)合作的人。

2.4 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：①探究影響酶活性的因素；②理解酶的空間結(jié)構(gòu)影響其活性。

2）難點(diǎn)：①探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)；②控制實(shí)驗(yàn)變量。

2.5 課時(shí)安排 2 課時(shí)。

3 教學(xué)實(shí)施

3.1 真實(shí)情境 教師拋出“現(xiàn)代人喜歡喝茶，人們普遍認(rèn)為喝茶有助于減肥，有助于防癌，有助于防治糖尿病等，你認(rèn)為這些常識有科學(xué)道理嗎？ ”的真實(shí)情境，讓學(xué)生討論并嘗試給出解釋，有的學(xué)生提到綠茶可以抗氧化，可以加速脂肪代謝，應(yīng)該也可以降血糖，但并不能給出科學(xué)解釋［2］。這部分旨在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活中的科學(xué)問題。

3.2 提出問題 教師引導(dǎo)學(xué)生討論喝茶是否有助于防治糖尿病的核心問題，學(xué)生在討論中會涉及到假如喝茶可以幫助防治糖尿病，需要從淀粉的分解、吸收和利用3 個角度進(jìn)行研究，需要從分子、細(xì)胞、動物3 個層次進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，先從分子層面開始研究淀粉的分解，將現(xiàn)階段擬解決的首個問題確定為“茶多酚能否影響人唾液淀粉酶的活性”。面對復(fù)雜問題，引導(dǎo)學(xué)生剝繭抽絲找到突破點(diǎn)。

3.3 查閱文獻(xiàn) 教師提供部分文獻(xiàn)，供學(xué)生課下閱讀并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注淀粉酶的結(jié)構(gòu)和功能，關(guān)注茶多酚的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。學(xué)生在閱讀過程中遇到的疑問，自己進(jìn)一步檢索文獻(xiàn)。最后，每個學(xué)生設(shè)計(jì)了解決問題的實(shí)驗(yàn)方案。鍛煉學(xué)生搜集資料的能力，提取有效信息的能力。

3.4 作出假設(shè) 面對自己提出的“茶多酚能否影響人唾液淀粉酶的活性”這一問題，教師帶領(lǐng)學(xué)生作出假設(shè)，大部分學(xué)生認(rèn)為茶多酚對其他淀粉酶有抑制作用，則對唾液淀粉酶也應(yīng)該是抑制的，少部分學(xué)生認(rèn)為茶多酚可以加速糖的分解代謝，故猜測是有促進(jìn)作用。旨在鼓勵學(xué)生大膽思考，根據(jù)已有知識和經(jīng)驗(yàn)提出自己的假設(shè)。

3.5 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 在正式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案之前，教師對淀粉酶的空間結(jié)構(gòu)、茶多酚的理化性質(zhì)，以及DNS 法檢測還原性糖的機(jī)理做簡要說明，讓學(xué)生了解絕大多數(shù)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，理解酶的活性、特性是由空間結(jié)構(gòu)決定的，包括溫度、pH、抑制劑、激活劑等外界因素都是通過影響結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響活性的，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)做好鋪墊。讓學(xué)生結(jié)合個人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以小組為單位在10 min 內(nèi)討論決定小組實(shí)驗(yàn)方案，而后教師組織學(xué)生在班級層面討論，確定可行的方案。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1）配體系：

表1 測酶活反應(yīng)體系

2）反應(yīng)：37℃水浴4 min。

3）終止反應(yīng)：迅速將8 支試管放入100℃滅活處理1.5 min。（注意：一定在第2 步之后迅速將試管轉(zhuǎn)移到100℃水浴鍋中，保證及時(shí)滅活。）

4）檢測產(chǎn)物：取8 支15 mL 離心管進(jìn)行編號，向每只離心管中加入500 μL DNS 試劑，吸取250 μL 上述終止反應(yīng)溶液；100℃水浴5 min，向各管內(nèi)補(bǔ)水至7.5 mL 達(dá)到稀釋10 倍的目的，倒入比色皿中，測定OD540，注意用對照組進(jìn)行調(diào)零。

5）設(shè)計(jì)表格，記錄數(shù)據(jù)。

3.6 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中，教師一方面指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作，另一方面完成參與度評價(jià)。為保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行，每個班級配備學(xué)生助教，課下負(fù)責(zé)預(yù)實(shí)驗(yàn)、課上指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、評價(jià)同學(xué)。在實(shí)驗(yàn)過程中，讓學(xué)生專注實(shí)驗(yàn)本身，等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證結(jié)果與預(yù)設(shè)是否相符，反復(fù)揣摩茶多酚與唾液淀粉酶活性的關(guān)系及其原理。旨在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和認(rèn)真做事的能力。如果學(xué)生實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)失誤或失敗，可在課下繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.7 處理數(shù)據(jù) 每個小組展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，體會用數(shù)據(jù)說話的重要性，體會科學(xué)理論的提出必須依賴于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。但有個別小組的數(shù)據(jù)沒有任何趨勢，小組成員討論反思，找出問題所在，課后重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

教師講授數(shù)據(jù)處理方法，借助Excel 或Graphpad 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，讓學(xué)生在課后自行處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以圖表的形式呈現(xiàn)，與其他小組的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，思考異同，以培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力。

3.8 分析討論 學(xué)生根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，觀察到隨著茶多酚濃度增加吸光度減少，得出茶多酚對人唾液淀粉酶是抑制的作用，說明喝茶可以減緩淀粉在口腔中的降解，有助于糖尿病的防治。

教師以DBeQ 與ATP 競爭，因此抑制Vps4 活性為例［5］，講解小分子抑制劑對酶活性抑制的機(jī)理，提出茶多酚是如何影響唾液淀粉酶活性的，提示茶多酚是混合物，主要成分是兒茶素，唾液淀粉酶是大分子，學(xué)生分析抑制的可能機(jī)理，理解競爭性抑制劑和非競爭性抑制的異同。一些運(yùn)用于臨床的小分子抑制劑都是納摩爾級別，本實(shí)驗(yàn)中茶多酚是毫摩爾級別，為何有數(shù)量級程度的差別，學(xué)生討論抑制特異性。

圖3 DBeQ 對Vps4 的抑制作用［5］

最后，茶多酚抑制了唾液淀粉酶活性能從一個角度說明喝茶有助于防治糖尿病，但解決一個科學(xué)問題需要多方面的證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生思考茶多酚是否影響其他淀粉酶的活性，是否影響細(xì)胞對葡萄糖的吸收，是否能在個體水平上真正幫助控制血糖，布置學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并預(yù)測結(jié)果。

3.9 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 教師明確實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫要求，展示以往優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提出針對本次實(shí)驗(yàn)在報(bào)告中應(yīng)注意哪些事項(xiàng)。要求學(xué)生在課后獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提高學(xué)生運(yùn)用科學(xué)術(shù)語撰寫學(xué)術(shù)報(bào)告的能力。

3.10 匯報(bào)交流 旨在回顧核心概念，落實(shí)“酶的空間結(jié)構(gòu)影響酶的活性”核心概念。教師指出學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中出現(xiàn)的問題，例如摘要寫成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shù)據(jù)圖表無名稱等。讓學(xué)生展示匯報(bào)自己的實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力。

4 教學(xué)評價(jià)

教師評價(jià)，包括教學(xué)反思和調(diào)查問卷。

學(xué)生評價(jià)包括課堂行為、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和作業(yè)練習(xí)3 個部分。其中，課堂行為評價(jià)包含對課前個人實(shí)驗(yàn)方案、課上小組實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)操作的評價(jià)，實(shí)驗(yàn)操作包含完成度、真實(shí)性、實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范、安全性和規(guī)劃合理性5 個維度。實(shí)驗(yàn)報(bào)告對完整性、科學(xué)性、討論充分性、信度效度分析、數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論、摘要書寫、項(xiàng)目優(yōu)化7 個維度進(jìn)行評價(jià)。作業(yè)練習(xí)部分設(shè)置一些開放性的思考題，在解決問題過程中進(jìn)一步落實(shí)知識學(xué)習(xí)，習(xí)得生物學(xué)思維方法。

5 教學(xué)反思

1）“喝茶是否有助于防治糖尿病”這個科學(xué)問題激起學(xué)生探究熱情，為解決問題學(xué)生主動查閱文獻(xiàn)、與同伴交流、設(shè)計(jì)方案、分工合作，在此過程中，知識學(xué)習(xí)、能力提升和有效社交自然發(fā)生并取得較好的效果，還在實(shí)驗(yàn)過程中提出了新的問題，例如茶多酚對蛋白酶、脂肪酶的活性有無影響，左旋肉堿對淀粉酶活性有無影響，茶多酚抑制唾液淀粉酶的機(jī)理是什么，兒茶素能不能開發(fā)成藥物防治糖尿病等，這些問題在深度和寬度上均有拓展，是進(jìn)一步學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，最重要的是提升了學(xué)生的理性思維能力。

2）茶多酚并不是最理想的淀粉酶抑制劑，因?yàn)椴瓒喾邮腔旌衔?，對很多酶都是有抑制作用的，并不是唾液淀粉酶的特異性抑制劑。酚類物質(zhì)易氧化，學(xué)生操作速度的快慢會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在后續(xù)的教學(xué)中，尋找新的唾液淀粉酶的特異性小分子抑制劑代替茶多酚。此外，可考慮購買純品兒茶素，通過雙倒數(shù)曲線法研究兒茶素對唾液淀粉酶的抑制是競爭性的還是非競爭性的［6］。

3）時(shí)間不可控是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師最難解決的問題，例如小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案環(huán)節(jié)花費(fèi)的時(shí)間短就會導(dǎo)致討論不充分，而時(shí)間長又會耽誤后續(xù)環(huán)節(jié)，每個小組做實(shí)驗(yàn)的速度不一樣，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)失誤需要重復(fù)等。教學(xué)組織原則是寧可慢一點(diǎn)，保證學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的有效性，課下開放實(shí)驗(yàn)室,鼓勵學(xué)生課后進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生在科研方面的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度。

4）學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量參差不齊，很多學(xué)生認(rèn)為寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告是一件與考試無關(guān)的事情，但撰寫一份標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)是高中生的必備能力，也為以后的本科學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。通過示范優(yōu)秀報(bào)告，制定更細(xì)的評分細(xì)則引導(dǎo)學(xué)生，逐步提高高中生的科學(xué)素養(yǎng)。

5）單元測試結(jié)果顯示，關(guān)于酶的題目正答率較高，學(xué)生能透過現(xiàn)象看本質(zhì)，抓住空間結(jié)構(gòu)與酶的活性的關(guān)系，表明實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種有效的教學(xué)方式。在課程效果調(diào)查問卷中，60%的學(xué)生表示生物學(xué)大實(shí)驗(yàn)是自己非常喜歡的學(xué)習(xí)方式，32.5%的學(xué)生表示喜歡，7.5%的表示一般喜歡，沒有學(xué)生不喜歡，這也鼓舞了教師堅(jiān)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信心。