科学探究导向的深度学习教学设计

摘要

通过5E教学模式和科学探究方法探讨温度对酶活性的影响，旨在提升中学生的科学探究能力和深度学习水平。对“温度对酶活性的影响”实验采取定性与定量分析相结合的方法，其教学结果显示——该教学策略有效提升了学生的学习兴趣、实验技能和团队合作精神，为中学生物学教育提供了典型的教学案例。

Graphical abstract

关键词

科学探究 / 深度学习 / 5E教学 / 实验设计 / 温度 / 酶活性

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》强调“教学过程重实践”的教学理念，倡导学生通过参与实践活动和探究学习以深化对生物学概念的理解，提高知识应用能力，促进创新能力的发展^［1］。此外，课标鼓励学生以科学的视角审视日常生活中的问题，并运用知识、思维方式和方法加以解决。这一教学理念与深度学习理论相吻合，旨在通过学生的主动参与和全面投入，经历富有意义的学习过程，从而促使学生健康成长，并追求核心素养的提升。

生物学作为一门基于实验的自然科学，其概念的建构不仅遵循自然科学的认知规律，而且对培养学生的科学探究素养具有重要作用^［2］。人教版高中生物学必修1《分子与细胞》涵盖两个大概念，为促进对大概念2的理解，课标在教学提示中强调了酶的专一性、高效性以及影响酶活性因素的探究活动（图1）。同时，课标强调在重视定性实验的基础上，同样应注重定量实验的开展，以便学生能够通过量的变化更加深入地掌握事物的本质。

“影响酶活性的条件”，是人教版高中生物学必修1《分子与细胞》中的重要实验。笔者聚焦于其中的“温度对酶活性的影响”，采用以科学探究为导向的方法，结合深度学习理念和5E教学模式，将原本的定性实验转变为定量实验，旨在推动学生在实际操作、数据分析和科学思维方面的全面发展。这一尝试不仅符合课标对科学探究和实践能力的要求，而且有望促进学科核心素养的培养，为高中生物学实验教学的创新与提升提供有益的借鉴。

1 深度学习与5E教学模式

在教育教学中，深度学习旨在提升学生的理解深度、批判性思维及问题解决能力，完全超越了技术的基础应用层面。5E教学模式包括引入、探究、解释、迁移、评价5个阶段，为深度学习的实现提供了结构化的教学框架。这一模式通过激发学生的内在学习动力，引导他们进行深入的探究和思考，并在整个学习过程中持续进行评价，从而有效地促进学生的全面发展。

实施这一模式，学生得以在真实、挑战性的学习环境中发展出深层次的理解、批判性思维及终身学习能力。通过探究“温度对酶活性的影响”实验案例，笔者深入探讨如何应用5E教学模式促进深度学习。

2 以探究“温度对酶活性的影响”实验为例

2.1 教学分析及设计思路

探究“温度对酶活性的影响”是深化学生对酶化学本质和功能理解的重要环节，同时也为后续学习细胞代谢、光合作用、细胞呼吸及基因控制等生物学概念奠定基础，起着承上启下的桥梁作用。其中，探究温度如何影响酶活性的定量实验，是该节课的教学重点和难点。采用DNS试剂检测还原糖，并结合分光光度计和标准曲线进行定量分析，目的是通过建构数学模型，进一步增强学生的科学思维和探究能力，帮助他们形成对酶特性的深刻理解。基于上述设计思路，笔者详述如何实施这一教学设计，以及通过具体步骤实现教学目标。

2.2 教学实施

（1） 引入课题——创设真实情境与提出问题。

教师可利用糖化酶使用说明书创设任务情境，引导学生进行实验设计，并特别注重对控制变量问题的深入探讨。在课堂上，教师邀请部分学生展示其实验设计方案，对方案进行评价，以此营造一个探究性学习的氛围。学生提出多项研究课题，包括“探究温度对糖化酶活性的影响”“探究pH对糖化酶活性的影响”“探究抑制剂如何影响糖化酶活性”等^［3］。笔者重点阐述“探究温度对糖化酶活性的影响”这一探究课题。

设计意图：以糖化酶的使用说明书为情境载体，构建问题导向的学习环境，不仅能够唤起学生的探究兴趣，为深入研究铺垫基础，还能让学生认识到生物学知识既源于生活实践，又能应用于解决生活中的问题。

（2） 探究与解释——进行实验与数据分析。

成功引入课题并激发学生兴趣后，进入实验的核心阶段——探究与解释，通过实际操作和数据分析，深化学生对知识的理解。教师搭建活动平台，展示实验步骤，引导学生以小组合作方式进行探究（表1）。

小组完成实验后，记录实验结果（图1、表2）。大多数学生的实验结果与预期相符，从而验证了定性实验的结论：淀粉酶的最适温度为45 ℃，温度的升或降均会减弱酶的活性。基于此结论，教师提出一个新的情境：“糖化酶使用说明书中提到，该产品可以在室温至65 ℃的温度范围内发挥糖化作用，其最适使用温度为58 ~62 ℃；超过65 ℃时，酶的活性会严重减弱。”这一情境有助于引导学生深入思考如何进一步开展实验探究，而这成为下一步教学的重点，旨在引导学生进行更高阶的思考和探究。

适当量化生物学实验，能够深化学生对其本质的理解。定性实验通过简化设计来解决基本问题，便于快速获取证据。定量实验则进一步探究数量关系，便于深化学生对事物本质的理解，促进其掌握科学方法，是更高级的科学探究方式。

各小组利用分光光度计测量各组溶液在600 nm波长下的吸光度值（OD值），记录在表2中。为进一步说明温度对酶活性变化趋势的影响，利用软件绘制温度对糖化酶活性影响曲线（图2）。

在教师的引导下，学生分析图2-a并归纳出糖化酶活性与温度的关系：在45 ℃以下，酶活性随温度升高而升高；超过45 ℃后，酶活性随温度升高而降低，并在45 ℃时达到峰值。然而，这并不意味着45 ℃是糖化酶的最适温度。酶的最适温度是指酶活性达到最大值时的温度。为准确判断最适温度，需在25~65 ℃区间内缩小温度梯度，以便进一步实验。学生继续分组实验，记录数据，并绘制曲线（图2-b）。

学生分析图2-b，发现糖化酶在25~55 ℃范围内活性升高，55~60 ℃范围内增速减缓，而在65 ℃时活性急剧下降，表明酶开始变性失活。因此，糖化酶的最适温度范围可能位于55~60 ℃之间。

设计意图：探究验证后发现，实验结论与糖化酶使用说明书的温度设置基本一致，进一步加深了学生对理论指导实践的认识，并深化了其对最适温度概念及其在酶活性调控中重要性的理解。

（3） 迁移与深化理解——研究拓展与机理探讨。

提出问题：高温和低温对淀粉酶活性的影响机理是否相同？展示预实验的部分结果：将糖化酶分别在5 ℃和85 ℃预处理5 min，然后在45 ℃水浴中继续反应，5 min后加入1 mL 5% NaOH溶液终止反应，进行DNS显色，最后使用分光光度计测定OD值。结果显示：5 ℃预处理组的OD值与原来的45 ℃处理组接近，而85 ℃预处理的OD值没有恢复。结合教材中关于蛋白质和酶的相关知识，学生将会发现——低温减缓分子运动，导致化学反应速度减慢，而升高温度则会加快反应速度；高温会引起蛋白质变性导致酶失活，这种损伤是不可逆的^［4］。

设计意图：补充预实验，加深学生对酶作用条件通常较为温和的认识，进而促进学生实证思维的发展。

（4） 评价与发展——采用多元化评价策略。

采用5E教学模式进行多元化评价至关重要，包括学生的实验准备、操作、数据分析、科学探究能力和团队合作。评价不仅体现在实验报告成果上，也反映在学生的行为和态度中。观察和分析学生的实验过程，教师可以及时获得反馈，借此促进学生在实验技能、科学理解和合作交流方面的提升。此外，评价还涵盖了学生对学习过程的反思以及对实验结果的理解和解释，有助于学生深入认识科学探究过程。

设计意图：多元化评价能帮助学生提升实验技能、科学理解和合作能力，培养独立进行科学探究的能力。

3 反思与展望

该研究采用科学探究为核心的深度学习方法，结合5E教学模式探讨“温度对酶活性的影响”，旨在提升学生的科学探究和生物学理解能力。结果显示，该策略有效提高了学生的学习兴趣、实验技能、数据分析能力并树立团队合作精神。为进一步提升教学效果，未来教学策略应集中在融合科技、实施个性化学习和推进跨学科整合等方面。策略实施，将有助于提高学生的学习兴趣和科学探究能力，为其未来学习和职业发展打下坚实的基础。

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2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 苏锦权.从定性到定量的“探究温度对酶活性的影响”实验教学设计［J］.生物学教学，2023，48（01）：49-51.

[3] 赵行星.糖化酶在“温度对酶活性的影响”实验中的应用效果［J］.生物学通报，2022，57（08）：54-56.

[4] 柯文汇.“探究温度对酶活性的影响”实验教学设计与实践［J］.生物学教学，2021，46（06）：35-36.

基金资助

2022年度云南省教育科学规划基础教育专项项目“基于‘5E’教学模式的高中生物实验教学行动研究”(BFJC22036)

昆明市教育科学研究“十四五”规划第二批规划课题“大概念视域下的高中生物学单元教学设计研究”(ZG2022079)