趙廣宇 汪紹鑫 徐 杰 謝詠梅

（1成都市石室中學(xué) 四川成都 610041 2四川成都武侯區(qū)教科院 四川成都 610041）

1 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

“酶的作用和本質(zhì)”是人教版必修1第5章第1節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，核心任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生從酶的功能、化學(xué)屬性、作用機理等角度認識酶的本質(zhì)與作用，構(gòu)建“酶”的概念。在《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版）》必修1的內(nèi)容要求中，有關(guān)“酶”的概念是分列在大概念2“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖”中，是重要概念“細胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細胞的特定區(qū)域”的下位概念，即“說明絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)，酶活性受到環(huán)境因素（例如 pH 值和溫度等）的影響”［1］。

圍繞與酶相關(guān)的概念，以“說明絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)”為中心，確定本節(jié)課的概念體系如下：

A.酶的化學(xué)本質(zhì)是有機物

A1.絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)

A1.1酶的發(fā)現(xiàn)史

A1.2實驗驗證木瓜蛋白酶的化學(xué)屬性是蛋白質(zhì)

A2.少數(shù)RNA也具有生物催化功能

A2.1科學(xué)史料證明某些RNA也具有催化功能

B.酶具有催化作用

B1.酶的催化作用具有高效性

B1.1實驗證明酶具有催化作用，且催化作用具有高效性

B2.酶能顯著降低化學(xué)反應(yīng)的活化能

以上概念間的關(guān)系可用概念結(jié)構(gòu)圖（圖1）表示。

圖1 酶的概念結(jié)構(gòu)圖

2 學(xué)習(xí)目標

1）說出細胞代謝的概念；闡明酶的概念；說明酶在細胞代謝中的作用；建立細胞的功能是絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細胞的特定區(qū)域的生命觀念。

2）嘗試設(shè)計實驗，學(xué)會設(shè)置對照、控制變量；學(xué)會處理實驗數(shù)據(jù)，得出科學(xué)結(jié)論；體驗基于實驗的科學(xué)探究方法。

3）通過實驗探究、資料分析，探究酶的概念內(nèi)涵；領(lǐng)悟基于實驗及生物學(xué)事實的概念構(gòu)建；學(xué)會運用歸納與概括形成生物學(xué)概念的科學(xué)思維方法。

3 教學(xué)設(shè)計思路

教材第5章第1節(jié)的教學(xué)內(nèi)容包括了“酶的作用和本質(zhì)”“酶的特性”，本節(jié)課選擇“酶的作用與本質(zhì)”作為教學(xué)內(nèi)容，目的是引導(dǎo)學(xué)生建立“酶的概念”。

根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗，學(xué)生以接受學(xué)習(xí)的方式學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容，能掌握“酶”的概念。但基于引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建概念的需要，筆者嘗試采取實驗探究結(jié)合資料分析的教學(xué)方式，設(shè)計相應(yīng)的學(xué)生探究實驗，以期引導(dǎo)學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果，感知酶的化學(xué)屬性和功能；通過對科學(xué)史資料的分析，獲取更多的生物學(xué)事實，為構(gòu)建“酶的概念”奠定堅實基礎(chǔ)。

在教學(xué)過程中，以螺旋上升式的問題驅(qū)動學(xué)生的學(xué)習(xí)活動，促使學(xué)生積極主動思維，自主構(gòu)建概念，真正領(lǐng)悟概念內(nèi)涵，幫助學(xué)生達成對“酶的概念”的理解，實現(xiàn)培養(yǎng)核心素養(yǎng)的目的。

4 教學(xué)過程實施

4.1 學(xué)習(xí)科學(xué)史實，感知探究歷程

4.1.1 學(xué)習(xí)代謝概念，提出探究問題 教師引導(dǎo)學(xué)生首先回顧初中學(xué)習(xí)過的光合作用等新陳代謝活動，其次回憶新陳代謝的概念。在此基礎(chǔ)上，再引出新陳代謝概念的本質(zhì)——細胞內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。提出問題：細胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)為什么能在常溫、常壓下迅速完成？什么是酶？酶的物質(zhì)屬性是什么？如何知道酶具有催化功能？

4.1.2 感知酶的發(fā)現(xiàn)，探究化學(xué)屬性 教師以教材中“酶的本質(zhì)”部分的“材料分析”內(nèi)容為基礎(chǔ)，并補充部分科學(xué)史實資料，感受“酶”的發(fā)現(xiàn)歷程（圖 2）。

圖2 酶的發(fā)現(xiàn)歷程

提出問題：酶的物質(zhì)屬性是否為蛋白質(zhì)？如何驗證？學(xué)生根據(jù)已有知識，迅速回答：用雙縮脲試劑檢驗。

教師提供木瓜蛋白酶試劑、雙縮脲試劑及器材，由學(xué)生自主完成實驗，結(jié)果達到預(yù)期（圖3）：檢驗的樣品出現(xiàn)紫色，證明木瓜蛋白酶的化學(xué)屬性是蛋白質(zhì)。

圖3 木瓜蛋白酶化學(xué)屬性的鑒定

教師提供新的資料：1971年，奧爾特曼用大腸桿菌進行tRNA合成的研究，他順利找到了核糖核酸酶P，其功能是切開RNA鏈上的磷酸二酯鍵，釋放出最終的tRNA。這種本質(zhì)為RNA的酶能加速反應(yīng)而不被消耗，完全符合酶的特性。1986年，切赫在四膜蟲中發(fā)現(xiàn)有一種RNA具有自我剪接的雙向催化作用，具有類似酶的作用，且既表現(xiàn)有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性，在一定條件下能像酶一樣催化寡聚核糖核苷酸底物的切割或連接。其后，其他的科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)更多的具有催化自我剪接功能的RNA［2］。

學(xué)生分析并得出結(jié)論：切赫、奧爾特曼等科學(xué)家在不同的實驗室，用不同的實驗材料均證明某些RNA分子具有生物催化的功能，即具有酶的催化功能。說明酶的化學(xué)本質(zhì)主要是蛋白質(zhì)，少數(shù)RNA也具有催化功能。

4.2 設(shè)計定量實驗，探究酶的作用

4.2.1 完成教材實驗，獲取實驗現(xiàn)象 如何設(shè)計實驗證明酶的催化功能？教師指導(dǎo)學(xué)生完成教材實驗“比較過氧化氫在不同條件下的分解速率”，得到預(yù)期的結(jié)果。教師要求學(xué)生分析實驗結(jié)果、得出結(jié)論。學(xué)生的結(jié)論：過氧化氫在常溫下能夠分解；加入FeCl3（無機催化劑），反應(yīng)速度加快；加入酶（生物催化劑），反應(yīng)速度最快。教師追問：3種條件下，反應(yīng)速度差異有多大？學(xué)生認為需進行定量實驗檢測，但不知如何開展定量實驗。

4.2.2 運用新型裝置，定量測定速率 教師提供可定量測定實驗結(jié)果的簡易裝置（圖4）：在白色塑料瓶中盛裝反應(yīng)液，在瓶口處連接導(dǎo)氣軟管，軟管末端加重使之能沉入水中，待氣泡流速較穩(wěn)定時計數(shù)，測定每分鐘產(chǎn)生的氣泡數(shù)。該裝置材料簡單易得、方便制作，產(chǎn)生的氣泡速率穩(wěn)定、在水中現(xiàn)象非常明顯，易于觀察計數(shù)，可在一定程度上定量測定酶促反應(yīng)的速率。

圖4 測定酶促反應(yīng)速率的裝置

學(xué)生運用該裝置，設(shè)計了4組對照實驗：常溫（37℃）、高溫（100℃）、加 FeCl3（無機催化劑）、加新鮮豬肝研磨液（過氧化氫酶），實驗結(jié)果如表1。

表1 不同處理條件下H2O2分解產(chǎn)生氣泡的平均速率

4.2.3 分析實驗結(jié)果，得出實驗結(jié)論 學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果，得出結(jié)論：高溫能加速過氧化氫的分解；無機催化劑能進一步加速過氧化氫的分解；酶能顯著加快過氧化氫的分解。

教師引導(dǎo)學(xué)生深入思考：酶能在常溫、常壓下顯著加快反應(yīng)速度，成為生物體進行生命活動的良好催化劑，其作用機理是什么？

4.3 運用動畫技術(shù)，闡明作用機理 教師抓住學(xué)生的疑惑，引出活化能的概念：分子從常態(tài)轉(zhuǎn)化為容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)需要的能量。正常狀態(tài)下，只有極少數(shù)的過氧化氫分子具有足以發(fā)生反應(yīng)的活化能，故常溫下過氧化氫分解很慢。加熱、氯化鐵、過氧化氫酶都可加快化學(xué)反應(yīng)，其原理是什么？

教師要求學(xué)生閱讀教材，并巧妙地結(jié)合動畫（圖5）進行講解：加熱、加壓都是為分子提供能量，獲得能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活化能；無機催化劑和酶都是降低化學(xué)反應(yīng)的“門檻”——活化能，加快化學(xué)反應(yīng)速率。正因為有酶的作用，細胞代謝才能在溫和條件下快速進行，滿足生命活動的需求。

圖5 各種加快化學(xué)反應(yīng)速率的原理動畫截圖

4.4 歸納探究結(jié)論，構(gòu)建酶的概念 教師引導(dǎo)學(xué)生在探究性學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，歸納、概括“酶”的概念。1）酶的化學(xué)本質(zhì)：絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。2）酶的功能：能顯著降低化學(xué)反應(yīng)活化能的，起催化作用的物質(zhì)。3）酶的來源：核糖體或者細胞核。教師引申出是“活細胞”。最終構(gòu)建酶的完整定義：酶是活細胞產(chǎn)生的具有催化功能的有機物，絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。

5 教學(xué)反思

5.1 挖掘概念內(nèi)涵，豐富概念體系 酶的概念內(nèi)涵豐富，其中酶的作用機理又較復(fù)雜，學(xué)生自主構(gòu)建概念的難度較大。因此，教師梳理概念各要素之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生從酶的功能、作用機理、本質(zhì)和來源等方面多維度探究概念的內(nèi)涵，在感知事實性知識的基礎(chǔ)上，自主構(gòu)建酶的概念。

5.2 靈活運用教學(xué)手段，逐漸構(gòu)建概念體系 在教學(xué)過程中，教師采用靈活的教學(xué)手段，依次通過閱讀教材、分析資料、實驗探究、動畫演示等多種形式，有效地激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣和思考的激情，讓學(xué)生獨立思考，積極合作，親自操作，最終自主構(gòu)建“酶的概念”。