衔接初中实验 突破“酶的作用”探究活动瓶颈

江苏省靖江高级中学 杨建忠

　　【摘 要】 以最近发展区理论作指导，衔接初中生物单对照实验，创设着眼于最近发展区的学习情境，提示、引导、帮助学习小组，实施多对照实验方案的设计；衔接初中化学气体性定量实验，创设基于最低教学界限与最高教学界限之间的探究情境，借助合作绘图、投影展示、半成品用具组装等方法，引导、帮助学生实现定量实验装置的创设。
　　【关键词】 衔接；实验方案；最近发展区；定量实验装置 

　　为了达成课标“说明酶在代谢中的作用”这一基本学习目标，人教版高中生物《分子与细胞》编排了“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验。该实验不仅操作简单、现象明显，而且能有效激发学生的探究兴趣和充分体现学生的学习主体，因此由学生合作完成该实验是教学中必不可少的环节。然而，要能充分发挥该实验在学生探究学习和概念生成中的作用，需要突破两大瓶颈，其一是如何科学有效地习得实验方案，其二是如何科学创设能提高核心概念生成逻辑严密性的定量实验装置。对此，笔者进行了一定的探索。
　　1 衔接初中生物实验，突破多对照实验方案习得方法的瓶颈
　　学生在初中生物的“尝试探究水温的变化对金鱼呼吸的影响”、“尝试探究光照对植物生存的影响”、“唾液消化作用”[1]等实验中，先后建构了单一变量原则、对照原则、等量原则、变量控制方法和自我设计单对照实验方案的知识与能力。然而，本课基本实验是将“常温与高温”、“常温与FeCl3”、“常温与酶”、“FeCl3与酶”四组具有不同自变量的对照实验综合在一起的多对照实验，其实验方案完全凭借学生已有的单对照实验知识与能力进行独立设计是极其困难的；如果避难就易，由教师说出或学生阅读教材实验方案，则只能授学生以“鱼”而不是“渔”；如果借助教师讲解“常温、高温、FeCl3、H2O2酶对H2O2分解速率影响”原理后进行实验方案设计，则又不符合探究性实验要求。因此，多对照实验方案的获得方法成为探究式教学首先需突破的瓶颈。
　　维果茨基的“最近发展区”理论认为，学生的发展存在能够独立完成的实际发展和只能在他人帮助下才能完成的潜在发展两种水平，两水平之间存在自我难以跨越的最近发展区。教学应着眼于最近发展区，以实际发展水平为基础和潜在发展水平为目标，为学生提供既有一定难度又有一定梯度的内容，调动其积极性，发挥其潜能，帮助学生超越其最近发展区而达到其困难发展的水平[1]。依据这一理论，笔者将教学立足于“设计单对照实验方案”与“设计多对照实验方案”的困难之处，创设符合学生知识、身心、发展水平的学习情境，促进学生由“现有水平”向“潜在水平”的跃迁[2]。具体的教学方法如下。
　　首先给各学习小组提供3%H2O2溶液、饱和FeCl3溶液、20%鲜肝研磨液、清水、四支试管（分别编号为1、2、3、4）、三支滴管、一支25mL量筒、水浴加热装置、卫生香、火柴等材料用具，既激发学生迅速回顾初中化学实验中所建构的H2O2分解产物、观察及检测方法的知识，又促使学生产生FeCl3、鲜肝研磨液与H2O2分解存在什么关系的好奇心与探究欲，有效创设基于现有水平进一步发展的实物背景和起始学习氛围。其次给各学习小组提供一份表1所示的初中生物典型单对照实验方案，既调动学生快速再现单对照实验的知识与能力，又作为进行新实验方案设计的范例，创设水平发展的良好基点。然后给各学习小组提供表2所示的除表头、第一行及提示外其他均空白的表格，既提出水平发展的最终目标，又创设水平发展的基本框架。最后提请学生参照表1，依次设计3号与4号、3号和4号与1号、1号与2号试管所对应的实验方案，使其依次能探究比较H2O2在“FeCl3与鲜肝研磨液”、“FeCl3和鲜肝研磨液与常温”、“常温与高温”下的分解速率。如是的目标分解与顺序调整处理，既将困难达到的水平分解成一个个跃一跃就能达到的水平，在现有水平与潜在水平之间搭建良好的递进式阶梯，又使平衡多组对照实验之间温度、试剂与用量的过程更符合学生思维的逻辑顺序，突破现有水平向潜在水平发展的障碍，促使学生轻松、快捷地完成表2所示多对照实验方案的设计。
　　[此处插入表1、表2]

表1：比较“淀粉在清水和唾液下消化”









表2：比较“H2O2在常温、高温、FeCl3、H2O2酶下分解速率”













　　2 衔接初中化学实验，突破定量实验装置创设的瓶颈
　　仅用“适量CO2能促进光合作用释放O2，就能说明CO2具催化作用吗”这一问题进行反思，就不难发现，单凭H2O2在酶下分解速率远远大于其他三个条件的实验结果，生成“酶具催化作用”这一概念缺乏逻辑严密性。因此，在完成基本实验的基础上，有必要进一步探究酶是否与无机催化剂一样，具有不改变反应平衡和在反应前后质与量不发生改变的两大催化剂特点。为此，必需创设能够达成探究目标的加液、反应、集气与测量一体化定量实验装置，以便既能够探究等量H2O2在FeCl3、酶作用下的最终产O2量是否相等，又能探究酶在一次反应结束后能否再次促进等量H2O2在相同时间内达最终相等的产O2量。如是，方能突破本课探究式教学的又一瓶颈。
　　学生在初中化学九年级上册的“双氧水分解制氧气”、 “二氧化碳的实验室制法”[3]等实验中，已经建构了用分液漏斗加液、锥形瓶反应、玻璃弯管导气、排水收集与测量气体的方法，形成了设计产气性定量实验装置（图1）的“现有水平”。但是，完全依赖该装置进行本课定量实验时会存在两个明显的不当之处：①在利用分液漏斗的控制活塞添加2mL H2O2时无法做到不发生漏气；②由于H2O2在饱和FeCl3作用下达到最终产O2量往往需要近十分钟的时间，如此长时间内用倒立量筒排水集气法容易导致集气与测量的失败。因此，改进装置成为进一步探究的关键所在。笔者通过反复探索发现，如下的两点改进方法能取得理想的实验效果：①用注射器替换分液漏斗实施加液操作；②利用产生的气体将密闭容器中的水压入稳定直立于桌面上的量筒内，变倒立排水出量筒测量气体改为直立压水入量筒测量液体。然而，由于学生初中化学的现有水平参差不齐，且学生基本不具备用打孔机对瓶塞、管塞打孔的操作能力，因此这两点改进及理想实验装置的制作，是大多数学生凭借现有水平无法达成的困难水平。
　　维果茨基的最近发展区理论，不仅强调好的教学应该处于最低教学界限（现有水平）与最高教学界限（潜在水平）之间，超之是无效困难的，降之是枯燥乏味的，而且还强调好的教学应该走在发展的前面并引导发展，不能以过多的发展成熟为目标，而要以使之成熟的功能为目标[4]。鉴于该理论，笔者引领学生跨越困难而得到发展的教学方法如下。
　　[此处插入图1、图2]







图1








图2

　　首先以“双氧水分解制氧气”为主的初中化学实验为基点，在不限定实验器材的情况下，由各学习小组自行绘制本课所需的定量实验装置图，利用小范围的合作与帮助，实现学生水平的初步发展。然后有意选择与理想装置比较接近的学习小组，分别投影展示并介绍装置图，借助大范围的学生交流与讨论，实现学生水平的进一步发展。接着给各学习小组提供教师课前制成并符合现有操作水平的半成品用具，包括带有针头的1mL和5mL注射器、锥形瓶、盛满水的250mL平底烧瓶、25mL量筒、两个各穿插有一短空圆珠笔管的瓶塞、1个穿插有一短一长空圆珠笔管的瓶塞、两根细软胶管、尖头镊子等，既帮助学生跨越发展上的困难，又促进学生实现力所能及的发展，通过尝试与修正连接，最终合作制成图2所示的实验装置，从而使后继提高概念生成严密性的探究活动得以实施。
　　实验是理科教学必不可少的一种手段，它关系到理科教学中学生科学素养的培养。中学生物学、化学和物理学之间的实验教学，既存在学科间的相互穿插和渗透，又存在初高中实验之间诸多的联系，关于大理科实验之间横向的协调和纵向的衔接，将是笔者不懈探索的课题。
　　参考文献：
　　[1]匡廷云，曹惠玲．生物学七年级上册[M]．江苏：江苏科学技术出版社，2012：15-93.
　　[2]倪淑萍．维果茨基“最近发展区”理论对合唱教学的启示[J]．浙江教育学院学报，2005，3：13-16.
　　[3]王祖浩，王磊．化学九年级上册[M]．第3版．上海：上海教育出版社，2006：37-140．
　　[4]徐美娜．“最近发展区”理论及对教育的影响与启示[J]．教育与教学研究，2010，5：14-16.
  作者简介：1984年参加工作，从事中学生物教学三十年，中学高级教师，地级市学科带头人，县级市名师工作室领衔人，江苏省教育科学“十二五”规划课题“协调初高中理科实验课程的实践研究”（编号：tzsgh2013073）核心成员。