福建省三明第一中學(xué) 黃曉明

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》的設(shè)計宗旨和實施的基本要求是要著眼于學(xué)生適應(yīng)未來社會發(fā)展和個人生活的需要，從生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任等方面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)?！翱茖W(xué)探究”作為核心素養(yǎng)的重要組成內(nèi)容，是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及對結(jié)果交流與討論的能力。探究實驗的設(shè)計和實施作為高階的科學(xué)探究在高考中占比較大，教師對學(xué)生的科學(xué)探究能力進行提升培養(yǎng)，有利于提高學(xué)生的解題能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。下面以“酶的特性”為例，介紹在日常教學(xué)中對學(xué)生生物學(xué)科學(xué)探究能力進行提升培養(yǎng)的策略。

一、分析教材和學(xué)情，制定教學(xué)策略

對教材和學(xué)情進行分析，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的具體學(xué)習(xí)特點制定教學(xué)策略，可起到事半功倍、有效提升科學(xué)探究能力的效果?！懊傅奶匦浴笔侨私贪娓咧猩锉匦?“分子與細(xì)胞”第5 章第1 節(jié)“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”第2 課的內(nèi)容。細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化離不開酶的作用，理解酶的特性，能為后續(xù)章節(jié)ATP、細(xì)胞呼吸、光合作用等一系列酶促反應(yīng)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。酶的特性表現(xiàn)在高效性、專一性、作用條件較溫和三個方面。其中酶具有高效性在前一節(jié)“酶的作用和本質(zhì)”中已由學(xué)生通過實驗探究獲得，對于酶具有專一性可通過引導(dǎo)學(xué)生改變底物或酶的類型輕松突破，因此酶的作用條件較溫和是本節(jié)內(nèi)容的探究重心。通過上一節(jié)內(nèi)容“酶的作用和本質(zhì)”的學(xué)習(xí)，學(xué)生對酶有了初步的認(rèn)識，并掌握了一定的發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計實驗以及進行科學(xué)探究的一般方法，但較高水平的可行性實驗方案的設(shè)計與實施對學(xué)生能力要求較高，“影響酶活性的條件”的實驗就是屬于高階水平的探究，因此引導(dǎo)學(xué)生完成該實驗的設(shè)計與實施是本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)難點。

二、設(shè)置問題串，提升科學(xué)探究能力

組織以探究為特點的主動學(xué)習(xí)是落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的關(guān)鍵。學(xué)生在現(xiàn)有知識的基礎(chǔ)上自主設(shè)計實驗方案，教師通過問題串引導(dǎo)學(xué)生一步步完善實驗方案，拓展學(xué)生科學(xué)探究學(xué)習(xí)的深度和廣度，通過多個實驗反復(fù)的操練，有利于提升學(xué)生生物學(xué)科學(xué)探究的能力。

（一）選擇材料器具和初步設(shè)計實驗方案

教師引導(dǎo)學(xué)生在課前查閱相關(guān)文獻，在實驗室現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上對材料器具進行選擇，為設(shè)計合理的方案做準(zhǔn)備。探究“影響酶活性的條件”，教師可通過設(shè)置問題串引導(dǎo)學(xué)生進行設(shè)計，如：（1）“探究溫度對酶活性的影響”原理是什么？應(yīng)選擇什么酶？為什么？（2）選擇了酶之后要選哪些對應(yīng)的試劑和器具？（3）實驗設(shè)計的基本原則有哪些？（4）實驗實施中如何遵循這些基本原則？（5）實驗過程中有什么需要注意的事項？學(xué)生一般會想到科學(xué)性原則、對照性原則、單一變量原則、等量原則等，并根據(jù)這些實驗原則設(shè)計出初稿。在教學(xué)實際中，學(xué)生會提出不同的實驗材料選擇，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的選擇大膽設(shè)計實驗并實施實驗，允許學(xué)生試錯，才能讓學(xué)生深入理解實驗原理和生物課程知識，達到意想不到的教學(xué)效果。

（二）完善實驗設(shè)計

高中生物科學(xué)探究實驗中自變量和因變量的確定是最根本的，學(xué)生會把較多的思考放在如何設(shè)置自變量的問題上，而無關(guān)變量容易被學(xué)生忽視。無關(guān)變量是指實驗過程中會對實驗結(jié)果造成影響的一些其他可變因素。實驗設(shè)計時不考慮無關(guān)變量，可能會導(dǎo)致整個實驗的失敗。很多考試中對無關(guān)變量的考查，體現(xiàn)了對實驗設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)性、細(xì)致性的要求，對學(xué)生的思維能力和問題分析能力都有了更高層次的要求。因此，在實驗設(shè)計過程中引導(dǎo)學(xué)生對無關(guān)變量進行控制，是提升科學(xué)探究能力的一個途徑，也更符合教學(xué)大綱的要求。

教師通過問題串引導(dǎo)學(xué)生對實驗步驟初稿進行完善，每個問題盡量讓學(xué)生多思考為什么、實驗設(shè)計是否合理、涉及的實驗原理、需要考慮的無關(guān)變量等。以“探究溫度對酶活性的影響”（見下表）為例，教師通過問題串不斷引導(dǎo)學(xué)生完善實驗步驟，形成定稿。

“探究溫度對酶活性的影響”實驗操作流程

學(xué)生在完成實驗“探究溫度對酶活性的影響”后，再舉一反三設(shè)計實驗“探究pH 對酶活性的影響”就容易多了。學(xué)生的實驗設(shè)計方案并不是唯一的，不同的小組設(shè)計出來的方案差別較大，教師要盡可能地幫助學(xué)生完善實驗設(shè)計，同時指出他們?nèi)菀缀雎缘年P(guān)鍵問題，在反復(fù)的實驗設(shè)計和修改中，提升學(xué)生生物實驗設(shè)計的能力。

三、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，進一步提升科學(xué)探究能力

通過探究實驗“影響酶活性的條件”，學(xué)生的實驗設(shè)計能力得到了提升。在“探究溫度對酶活性的影響”時，教師可進一步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)置一系列溫度梯度或以反應(yīng)時間為自變量，以淀粉和碘液反應(yīng)的藍(lán)色深淺為觀測指標(biāo)，并將實驗結(jié)果繪制成坐標(biāo)曲線圖，從而構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。如酶促反應(yīng)需要一定的時間，時間不同淀粉水解程度也不同。酶促時間太短就滴加碘液，三支試管有可能都出現(xiàn)藍(lán)色，時間過長淀粉可能徹底水解，根據(jù)這個可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗驗證“時間對酶促反應(yīng)速率的影響”。每隔1 分鐘分別從試管中取5 滴溶液與1 滴碘液滴在點滴板上鑒定，觀察顏色的變化并記錄。

“探究pH 對酶活性的影響”也可以設(shè)置一系列pH 梯度，以產(chǎn)生氣泡的多少（氧氣釋放量）作為觀測指標(biāo)繪制曲線圖。為了使測定更精確，學(xué)生可使用電子pH 計，在實驗過程中使用氧氣傳感器進行檢測，讓實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確。學(xué)生把實驗探究的結(jié)果構(gòu)建成數(shù)學(xué)模型并進行分析，把復(fù)雜的研究對象轉(zhuǎn)化為簡化后的數(shù)學(xué)問題，用數(shù)學(xué)關(guān)系式呈現(xiàn)研究對象的關(guān)系，從理論到實踐再到理論，進一步提升科學(xué)探究能力，加深對“酶的特性”的直觀理解，體驗科學(xué)探究過程。這種構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的思維結(jié)合生物學(xué)規(guī)律和原理，設(shè)計并實施可行的實驗方案，已經(jīng)達到了科學(xué)探究培養(yǎng)的高階水平（水平三、水平四）。

四、課后反思與延伸探究

學(xué)習(xí)是師生互動的過程，教師反思可總結(jié)經(jīng)驗、改進教學(xué)，彌補教學(xué)過程中的不足，指導(dǎo)今后的教學(xué)，提高課堂教學(xué)的有效性。但光有教師的反思是不夠的，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生主動反思具有更大的能動性，能充分挖掘其思維潛能和探究潛能。一個實驗的結(jié)束并不意味著停止，不論實驗成功與否，引導(dǎo)學(xué)生對實驗過程和結(jié)果進行分析、反思，促使學(xué)生養(yǎng)成反思習(xí)慣，總結(jié)利弊，改進實驗設(shè)計，都能提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。提升科學(xué)探究素養(yǎng)，不只是積累知識，更是授之以漁，是為了學(xué)生在日后生活和學(xué)習(xí)中能掌握發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。教師可適當(dāng)留一些待探究的問題，讓學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和生活中時時處處進行科學(xué)探究。

“影響酶活性的條件”這個探究實驗受限于教學(xué)時間和實驗設(shè)備，不能在課堂上深度展開，而學(xué)生在實驗過程中會激發(fā)更多的奇思妙想，如有的學(xué)生會提出“用過氧化氫酶來探究溫度對酶活性的影響是否可行、唾液淀粉酶和工業(yè)淀粉酶做實驗有什么區(qū)別、實驗中用斐林試劑來鑒定實驗結(jié)果是否可行、可否用淀粉酶來探究pH 對酶活性的影響”，還有的學(xué)生提出“用底物濃度或者酶量等作為自變量來探究影響酶活性的條件”……教師鼓勵學(xué)生將這些問題作為研究性學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行延伸探究，利用課余時間經(jīng)過小組充分討論實驗的可行性，大膽設(shè)計并實施實驗，將實驗結(jié)果繪制成圖就得到了唾液淀粉酶與工業(yè)淀粉酶的最適溫度不同的結(jié)論，以及酶促反應(yīng)速率與底物濃度的曲線圖、酶促反應(yīng)速率與酶量的曲線圖等。教師引導(dǎo)學(xué)生將這些實驗結(jié)論、曲線圖與相應(yīng)的試題相結(jié)合，對可能的結(jié)果做出預(yù)測和解釋，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式和解題能力。這些課后反思與延伸探究引發(fā)了學(xué)生進一步探究的欲望，教師通過引導(dǎo)和保護學(xué)生的探究欲，提供適當(dāng)?shù)奶骄織l件，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，有助于提升學(xué)生的生物學(xué)科學(xué)探究核心素養(yǎng)。

教師不囿于教材或文獻提供的材料和實驗方案，給予學(xué)生自由發(fā)揮的空間，有利于學(xué)生在充分討論和查閱資料中獲得知識的升華和能力的提升。核心素養(yǎng)視域下的高中生物科學(xué)探究以理論為指導(dǎo)，以科學(xué)實踐為途徑，緊扣生物學(xué)科核心素養(yǎng)，有利于培養(yǎng)和提升學(xué)生的科學(xué)探究水平，將培養(yǎng)目標(biāo)落實到日常課堂教學(xué)中去。