基于生物学科核心素养的高中生物实验教学研究——以“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”为例

基于生物学科核心素养的高中生物实验教学研究——以“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”为例

沙 晓 红

凉山州民族中学    615000

摘要：本文以高中生物新教材中“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”为例，通过实验的改进和创新，设计以探究为特点的主动学习，提出在实验前、实验中以及实验后如何基于教材又不拘泥于教材和用教材教而不是教教材来提高高中生物实验教学的有效性，最终实现生物学科核心素养目标的落实和达成。

关键词：高中生物；实验教学；核心素养

一、研究背景

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》在教学建议板块提出落实生物学学科核心素养的关键是组织以探究为特点的主动学习，具体描述为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，也会间接影响核心素养中“生命观念”“社会责任”的达成，建议在生物学教学过程中提供更多的机会让学生亲自参与和实践。可见，随着课程改革的全面推进，面对即将开始使用的新教材和开始实施的新高考，作为一线教师，怎样在课堂教学中落实和达成核心素养，特别是学科核心素养，是个值得思考的问题。

“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”属于高中生物新教材《生物学·必修一·分子与细胞》第五章第一节“降低化学反应活化能的酶”内的“探究·实践”实验之一，实验的目的是探究淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。由于学生在初中生物学习消化的相关知识时有接触淀粉酶分解淀粉的实验，加之本教材第二章“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”的实验中学生已经学习了还原性糖的检测方法，可见,本实验具有探究性和连续性的特点。

所以，本研究设计以探究为特点的主动学习，学生自主学习活动主要包括通过对课本原实验进行分析，特别是实验材料和实验设计方案，提出与生物学相关的问题，接着通过查找信息，提出解决办法，答案可来自生活，也可来自学生原有的知识，还可来自教辅资料，最后通过思维判断做出解释，以培养学生的批判性思维。在这个过程当中，很好地落实和达成了生物学科核心素养目标，特别是学生的创新精神、实践能力、思维习惯等。

二、改进和创新实验，聚焦核心素养

（一）实验前，深度分析，专业知识生活化

“知识源于生活，用于生活”告诉我们任何问题的答案都可以到生活中去寻找，生物学科更是与人们的日常生活息息相关，所以，生物课堂教学在培养生物学科核心素养的过程中，完全可以从日常生活中寻找素材作为生物课堂教学的材料进而引发学生的共鸣和兴趣，实现生物学科核心素养的培养。

1.用土豆自制淀粉

课本原实验的材料提供的是质量分数为3%的可溶性淀粉溶液和质量分数为3%的蔗糖溶液，可是有学生提出，初中生物课就听老师讲过淀粉、蔗糖，也知道小麦、玉米、红薯、土豆富含淀粉，但还是感觉太专业，很陌生，不真实，可见，学生只是被动的接受了教师传授的知识，曾经做的实验也都是直接使用提供的材料，所以，本实验改进为将专业知识生活化，自制淀粉，原材料选用本地的特产土豆，具体流程：土豆洗净、切丝、浸泡、静置、过滤，再次静置，去水，晾干备用。

图1利用土豆制备淀粉的流程

2.用多酶片替代淀粉酶

课本原实验的材料还提供了质量分数为2%的新配制的淀粉酶溶液，可是购买有一定的困难,于是有学生建议用唾液中的淀粉酶，在这里构建了初高中知识之间的联系，但是也听到了一些反对的声音，主要来自女生，觉得不太雅观，有损形象，可见，新的问题又出现了，于是男生们建议就用男生的唾液，在这里培养了学生之间的合作意识和奉献精神，可还是遭到了嫌弃，终归不是大家都满意的方法，于是有学生提出用多酶片，答案源自生活，引导学生理解酶为生活添姿彩。使用多酶片最大的优点是取材方便，一般的药店就可以买到,价格便宜,保存方便，常温下就可以保存。所以，本实验改进为在课本原实验的基础上增加用购买的多酶片分解淀粉和蔗糖的实验，其中多酶片酶溶液的配制方法：取出多酶片,用刀切成两半,再用镊子挑出多酶片内的酶粉，称量，按要求配制成酶溶液备用。

图2  多酶片酶溶液的配置流程

（二）实验中，思维碰撞，提升能力

实验过程中鼓励学生自己动手操作实验，观察实验现象，提出并思考实验过程中出现的相关问题，讨论得出解决办法。此过程对学生提出问题、获取信息、实践探究、质疑批判、发散思维等等方面的能力都具有比较大挑战。

1.学科之间的交叉融合

由于实验室只有两个恒温水浴锅，所以实验在进行还原糖的检测水浴加热步骤时，出现拥挤现象，需要排队等待，于是学生就提出，能否像化学学科一样进行直接加热？在这里教师要鼓励学生勇于探究、创新，大胆的去尝试各种可能，灌输即使失败也没有关系，过程比结果重要的理念。学生实践过两种加热方法后所做的评价为：与水浴加热法相比，直接加热法,实验时间更短,呈现实验现象更快,但试管里的液体容易溅出,如果加热过度,试管里还会有青色或者黑色物质出现，学生结合化学知识分析,可能是Cu(OH)2被分解所致。可见，两种方法各有利弊。在此体现了学科之间的交叉融合，渗透了批判性思维的培养。

在这里，多个学科有目的、系统的交叉融合，并以真实问题解决为任务驱动，在跨学科融合实践中获得知识、应用知识，培养复合思维和创新思维，提升解决问题的能力。

2.不完全归纳法

具体的实验设计必须遵循对照原则和单一变量原则，其中淀粉酶分别对淀粉和蔗糖的水解作用进行对照，说明淀粉酶只能催化淀粉的水解，多酶片分别对淀粉和蔗糖的水解作用进行对照，说明多酶片只能催化淀粉的水解，由此可以得出淀粉酶只能催化特定的化学反应这一实验结果，进而引导学生采用不完全归纳法不难得出酶具有专一性这一实验结论。然而，酶的专一性属于酶的特性，为酶这一概念的重要内涵，在这里引导学生理解酶具有专一性的机理，即“锁钥学说”，目的是通过锁钥理解底物与酶的关系，使学生理解复杂多样的生命活动可以井井有条地进行，是因为一种酶只能催化一种或一类化学反应，帮助学生形成结构与功能相适应的生命观念。

3.归因分析

用斐林试剂分别检测淀粉酶分解淀粉的实验和多酶片分解淀粉的实验步骤中，从同时进行水浴加热开始计时，并细心观察各试管中溶液颜色的变化，不难发现，加热40秒开始，淀粉加多酶片的试管开始出现颜色的变化，可见用多酶片催化淀粉水解的实验结果可以大大缩短水浴加热的时间，提高了实验的效率，在这里引导学生分析原因可能为多酶片中的酶为复合酶所致，进而引导学生推测复合酶的催化效率高于单一酶，为生物技术实践模块酶的研究与应用做铺垫。同时，观察实验现象，还不难发现二者实验结果的颜色存在一定的差异，在这里引导学生分析原因也可归为多酶片中的酶为复合酶所致或者多酶片中酶含有其他杂质所致。此过程培养了学生的发散思维。

图3  淀粉酶和多酶片分解淀粉的实验结果

4.多角度评价实验

通过细心观察实验过程，学生还发现除了用斐林试剂检测淀粉的分解产物还原糖，依据有没有生成砖红色沉淀来判断淀粉是否被分解外，还可以依据试管中淀粉溶液透明度的变化来判断淀粉是否被分解，原理为淀粉溶液是不透明的，但随着淀粉的分解，变成小分子物质后，溶液变得澄清透明，为后续生物技术实践模块果胶酶在果汁生产中的作用做铺垫。果胶酶的作用是瓦解植物的细胞壁及胞间层，将果胶分解为可溶性的半乳糖醛酸，使得浑浊的果汁变得澄清。很好地构建了前后知识之间的联系。

（三）试验后，深化主题，定量研究

实验后引导学生深度分析实验过程得出课本实验的方案为用同一种酶催化不同的底物，于是提出，能否用不同的酶催化同一种底物？引出了本实验的拓展试验。

表1  课本实验方案

表2  拓展实验方案

学生自行设计实验方案，拟出题目，从中确定最终探究的题目为过氧化氢酶和淀粉酶催化过氧化氢的分解,答案来自上一讲的实验“过氧化氢在不同条件下的分解”的改编，构建了前后知识之间的联系。最终确定的根据设计图安装的实验装置：

图4  定量研究酶专一性的装置

在这里需要一个玻璃瓶，把它侧放，加入过氧化氢溶液，在他的对侧内壁贴上含酶滤纸片，把玻璃瓶转动180度，让滤纸片与过氧化氢接触，反应就开始了，在这里用量筒收集气体，量化实验，实现了从定性研究到定量研究，科学方法到科学思维的转变。学生动手实验，实验结果，在20秒的反应时间内，加肝脏研磨液的反应中氧气的产量达到了23ml，而加淀粉酶的反应中氧气的产量为1.5ml，由此可以证明酶具有专一性。此装置还可以用来探究酶的高效性。拓展实验可以让学生通过设计实验、操作实验、收集数据，对实验结果进行分析解释，养成崇尚科学和实事求是等科学探究精神。

三、总结

本研究过程很好地实现了基于教材又不拘泥于教材和用教材教而不是教教材，提高了生物学科实验教学的有效性。研究还得出了通过实验教学落实和达成生物学科核心素养目标，应该将手把手教学生进行实验操作的模式改进为让学生自主思考并尝试动手实验的模式，培养学生对课本原实验的分析理解能力、具体的动手操作能力、独立探索知识并加以运用的思考判断能力以及相互之间协同合作能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部．普通高中生物学课程标准：2017年版［Ｍ］．北京：人民教育出版社，2018．

[2]李瑞芹，朱自成.聚焦核心素养，提高课堂教学质量.[J]基教经纬 .2０１9(12):49. 