基于探究性学习的高中生物学课堂教学——以“酶催化细胞的化学反应”为例

(上海市嘉定区中光高级中学上海201800)

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)指出,以探究为特点的教学不仅会直接影响核心素养中“科学思维”“科学探究”的落实,也会间接影响“生命观念”“社会责任”两个核心素养的达成。在课堂上合理运用探究性学习的教学方法,不仅可以培养学生学习的兴趣,还能帮助学生养成独立的思考习惯。下面以“酶催化细胞的化学反应”第一课时新授课为例,阐述探究性学习在高中生物学课堂中的应用。

本节内容选自沪科版高中生物学《必修1·分子与细胞》第四章第二节,是该节内容的第一课时,涉及酶的作用、本质和特性三个方面。本节内容建立在“蛋白质的结构与功能”和“细胞的结构”等相关知识的基础上,进一步阐释了酶是细胞内几乎所有化学反应不可缺少的物质,并为后面学习细胞呼吸、光合作用等内容奠定基础。

结合《课程标准》和教材,聚焦“酶能催化生化反应,大多数酶是蛋白质”的核心概念,教师以问题链的形式导入课堂,引导学生先通过问题情景构建探究学习的前概念“酶是活细胞产生的具有催化能力的生物大分子,绝大多数是蛋白质,少数是RNA”。在此基础上,学生在观察现象、提出问题、作出假设、设计实验、实施实验、分析实验结果、得出结论等过程中学习生物学知识。同时,在已有探究实验的基础上,教师对探究内容进行拓展培养学生的科学探究精神。最后教师以生活中常见的加酶洗衣粉为例,使学生将知识运用于生活,落实生物学学科核心素养。

(1)通过阅读分析资料,阐明绝大多数酶的化学本质是蛋白质的事实,认同科学是在不断探索中前进的。

(2)观察“酶的催化作用”演示实验,比较对照组与实验组的实验现象,归纳概括酶的作用特点。分析实验设计思路,学习探究实验的设计方法。

(3)以图文结合的方式解释酶具有专一性的原理,建立结构与功能相适应的生命观,感悟酶的高效性和专一性对生命活动正常运行的重要意义。

(4)结合酶的特性相关知识,举例说明酶在生活中的应用。

教师以“一秒钟我们能做什么”导入课堂,学生主动思考并回答:眨眼、呼吸等。接着,教师展示“人脑有100亿个神经细胞,每日可记录8600万次信息,在1秒钟之内,可产生10万次化学反应”的资料,让学生直观地感受体内快速的化学反应。教师提出问题:为什么细胞可以进行如此快速的化学反应呢?引发学生进一步的思考,从而引出酶的概念。基于此,教师提出问题串:酶是什么物质?酶有什么作用?酶在哪里产生?以问题激发学生的求知欲。学生通过阅读教师任务单中呈现的关于酶本质的探究资料,给出酶的定义:酶是活细胞产生的具有催化能力的生物大分子,绝大多数是蛋白质,少数是RNA。

设计意图:学生要进行科学合理的实验探究,必须先掌握相关的知识。本环节中教师以问题吸引学生兴趣,激发学生的好奇心和求知欲。接着教师又通过问题链的形式层层递进,开阔学生的思维,让学生带着问题阅读资料,在快速提取信息的过程中建构酶的概念,为后续科学的实验探究储备了知识。

教师设问:具有催化作用的酶是否有特别之处呢?教师利用实验探究的一般过程引导学生逐步认识酶的本质。

3.2.1观察过氧化氢在常温下的分解

教师引导学生回忆H2O2分解的反应方程式并提问:如果把H2O2溶液倒在试管中,根据化学反应方程式会看到什么现象?学生猜测会看到试管中有气泡产生。接着,教师演示常温下H2O2的分解反应,学生观察现象发现常温下H2O2几乎无气泡产生。教师追问:有没有什么方法可以加快H2O2的分解呢?基于酶的前概念及初中在化学课上学过的无机催化剂的相关知识,学生说出酶和无机催化剂可以加快H2O2的分解。

3.2.2提出问题

教师提问:在新鲜的动物肝脏中H2O2的水解酶较多,如何操作才能让这些酶从动物肝脏中释放出来呢?学生回答:研磨。随后,教师呈现本节课所用到新鲜肝脏研磨液和无机催化剂FeCl3两种实验材料,引导学生提出问题:哪种条件下H2O2分解的速率更快?

3.2.3作出假设

教师以选择题的形式展示问题“哪种条件下反应速率最快?A.加肝脏研磨液B.加氯化铁”,多数学生所作出的假设为加肝脏研磨液后H2O2分解的速率更快。

3.2.4设计实验

教师提出问题:我们的假设是否正确,需要通过什么去验证?学生回答:实验。教师展示第一份实验设计方案(表1),并提问:若新鲜的动物肝脏匀浆和FeCl3都能加快过氧化氢的分解,可以在试管中观察到何种现象?学生利用已有知识回答出有气泡产生。教师追问:这种气泡是什么?有什么作用?学生通过分析、讨论问题,设计出本实验的两个观测指标,即气泡产生量和带火星的卫生香复燃后的火光亮度。

表1各试管中加入的材料

在此基础上教师请学生找出实验设计方案的