基于深度学习促使学科素养发展的教学设计

潘文平 康浩

摘 要 学科核心素养是新一轮高中课程改革的主旨理念。基于课程标准要求和学生思维发展规律，结合深度学习理念，对“酶的特性”一课进行教学设计和实践。设置真实情境，依托问题链的推动，以信息提取、实验设计和探究为教学主线，通过深度学习，促使学生单一问题解决能力向同类共性问题解决素养的转变、提升，促使生物学科素养发展。

关键词 高中生物 深度学习 学科素养 教学设计

作者简介：潘文平（1983—），女，广西荔浦人，荔浦市第三中学一级教师，大学本科，研究方向：生物学教学研究；
康 浩（1984—），男，陕西富平人，广西南宁市第九中学高级教师，硕士，研究方向：生物学教学研究。

深度学习是指在学习过程中，学习者通过对知识本质的认识以及对学习内容的批判，有效地进行知识迁移、解决实际问题。深度学习注重学习者积极地、批判性理解，强调知识网络的建构，关注知识的现实意义，同时也是提升学生学科核心素养的重要途径之一[1]。深度学习基于学生现有认知水平，通过真实情境引发，将现有知识整合处理，并将内化后的知识和规律有效迁移至新情境中，达到解决新问题的目的。该学习模式着力于发展学生高阶思维，将学生置于学习过程中的主体地位，在整合多重有效信息后，将新知有机嵌套于原有知识体系中，拓宽加深学生思维认知，不断地完善學生知识水平，促使素养提升。本文以“酶的特性”为例，运用深度教学促使学生学科素养进阶发展。

一、教材分析

“酶的特性”位于人教版《生物学》（必修1）第5章第2节。在内容设置上起于酶的作用和本质，进一步解释作为催化剂的作用机理以及其活性受限制于多种外界因素，同时又为细胞代谢需要相对稳定的内部环境提供了理论和现实解释，也为后期内环境稳态教学做了铺垫。通过本节课的学习，学生能够深刻地理解细胞代谢和生物体稳态需要适宜温度的物质性和细胞学原因，基于酶的特性解释真实情境和实际生活中的问题，初步形成物质和能量观。

二、教学目标

生命观念：通过对资料和实验的分析，归纳酶的特性，并解释不同因素对酶的活性影响的异同，初步形成物质与能量观。

科学思维：通过综合各种信息，从普遍现象中探析问题的本质，形成规律并应用和解释现实情境中的问题，促进思维进阶。

科学探究：通过设计科学严谨的实验，验证酶的特性，从过程和结果两方面加深对酶的特性的理解，提升科学探究能力。

社会责任：通过对生活和社会议题进行分析和讨论，能够提出适当的解决方案和合理建议。

三、设计思路

本节课以学生分析资料和设计实验、活动探究为主线。前期教师应充分剖析本课题的核心内容和所要达到的教学目标，收集多种学术材料作为辅材，提供实验所需材料等，为学生学习和活动开展做好准备。最后引导学生对新情境和问题进行分析，完成知识的迁移和思维的进阶，提升生物学科素养。具体设计思路见表1。

四、教学过程

（一）源于情境，提炼问题

小视频：爆炒牛肉的制作（切片、腌制、爆炒、装盘、上桌和食用），食客评价牛肉嫩滑可口。

[师]视频中的牛肉嫩滑可口，而自家制作的牛肉往往干柴、难以咀嚼，为什么？

[生1]厨师是个老手。

[生2]牛肉本身比较好。

[生3]牛肉经过特殊处理，经过腌制。

设计意图：学生通过观看真实的情景过程，激发学生学习兴趣。通过日常生活现象，引发学生思考可能存在的生物学知识，并试着解释原因。

[师]（向学生展示某品牌嫩肉粉的成分表）经过嫩肉粉腌制的牛肉的确嫩滑不少，为何要提前腌制，而不是像食盐那样，在炒制过程中添加呢？

[生4]嫩肉粉主要成分是木瓜蛋白酶。酶的主要成分是蛋白质，经过高温爆炒，蛋白质会变性失活，失去催化能力，所以要提前添加腌制。

[师]高温使蛋白质变性，低温和常温时酶的催化能力如何？经高温处理后，当温度降低时，酶的催化能力是否可以恢复？

[生5]常温和低温时酶的催化能力一样；
高温处理后，当温度降低时，酶的催化能力可以恢复。

[生6]常温和低温时酶的催化能力不一样；
高温处理后，当温度降低时，酶的催化能力无法恢复。

设计意图：通过问题的设置，引导学生透过现象分析本质原因。在问题引导下，推动学生思考边界外扩，促使学生从更深层次理解和解释问题。

（二）学术引领，信息提取

[师]（展示图片）大家注意观察，第一幅图是李鹏等人研究发现的液态发酵条件下拟康宁木霉8985产纤维素酶活性受温度影响的变化曲线；
第二幅图是吴洁等人研究秸秆纤维素降解菌株产生的纤维素酶活性受温度影响的变化曲线；
第三幅图是孙启星研究酱油曲中谷氨酰胺酶活性受温度影响的变化曲线。这三幅图中的曲线有什么异同？

[生1]曲线都类似于开口向下的抛物线，三条曲线均有一个最高点。

[师]大家再仔细观察横坐标和纵坐标，三条曲线代表的是什么量（自变量）对什么量（因变量）的影响，总体趋势是什么？

[生2]三条曲线均表示温度对酶的活性影响变化曲线，而且在一定的范围内，酶活性随着温度的升高而升高。当酶的活性达到最大值时，如果继续升高温度，酶的活性开始降低。

设计意图：通过多个专业学术资料的展示，让学生了解温度对酶活性影响的基本规律，使学生形成真实、直观的感官认识。增强学生从多个资料中提取有效信息以及自主观察和分析的能力，促使其由简单观察到逐步进行分析和归纳等思维能力的进阶，提升科学思维素养。

[师]在温度改变时，不同酶的催化能力表现出类似的变化趋势和规律，说明温度对酶的催化能力的影响是各不相同，还是具有普遍性？

[生3]具有普遍性。

设计意图：该问题的设置旨在让学生跳出材料本身，从更宏观的层面看待温度对酶活性的影响规律，从而形成整体意识。在遇到不同的真实情境时，学会知识的迁移，用物质和结构观的视角解释具体问题，而非局限在教材所提供的例子。根据现场提供的材料，让学生设计具体的实验方案，验证酶的活性受温度影响的规律。

（三）研精致思，追根溯源

[师]胰蛋白酶的主要成分为蛋白质，其可以催化蛋白质水解。大家观察脱脂奶粉溶于水后的样子。

[演示实验]现场冲奶粉展示，溶液呈乳白色，向奶粉溶液中添加适量胰蛋白酶，轻轻搅拌，乳白色的溶液逐渐变得澄清。

[师]酪蛋白是牛奶呈现乳白色的主要原因，大家想想，为什么乳白色的牛奶变澄清了？

[生1]胰蛋白酶将酪蛋白催化分解掉了，所以牛奶变澄清了。

[师]酶的活性受温度影响是一个普遍性规律。能不能用胰蛋白酶和脱脂奶粉设计一个实验，再次印证酶的活性受温度影响。

设计意图：该实验的开展，学生首先要搞清楚牛奶从乳白色变为澄清的原因，其次需要通过思考，酶活性的大小用什么指标表示，最后需要正确使用相应的指标反映酶活性大小与温度的关系。实验是科学探究的主要表现方式之一，而科学探究体现的是科学思维。本实验的设计有效地锻炼了学生对问题思考的思维深度，并需要将实验数据做适当转化用于表达最终的结果，对学生的思维能力要求很高。通过实验得出与学术资料里一致的结果，可以进一步加深学生的印象，深化酶活性受温度影响的变化规律。

[生2]胰蛋白酶可以水解酪蛋白，使牛奶变澄清，可设置几组不同的温度，将胰蛋白酶加入牛奶中，哪一组最快变为澄清，说明该组中胰蛋白酶活性最好；
需要的时间越长，表明酶的活性越不好，说明此温度抑制酶活性。

[师]大家的思路很好！需要考虑的是，一节课时间40分钟，若酶的活性很低，需要很长时间才能水解酪蛋白，我们需要一直等下去吗？其次怎么保证酶始终处在设定的温度下，如何规避把胰蛋白酶加入牛奶时溶液温度发生改变？最后，需要多少牛奶？要添加多少酶？

设计意图：首先，引导学生在众多可观察的指标中，甄选最合理、最符合自身环境条件的指标进行观察，显然一直等待并不是最佳方案，因此需要引导学生寻找更好的观察指标；
其次，为了避免酶溶液和牛奶的温度不同而造成实验结果的较大偏差，如何改进实验设计；
最后，提示学生在设计实验和探究过程中遵循实验设计的原则，以避免酶和牛奶的量的不匹配对实验结果的影响。以上问题的设置，着重引导学生从粗放的思维方式向严谨科学的思维方式转变，通过具体问题提升思维深度，避免泛泛而谈。

[生]（经过讨论后）一是将比较变澄清的时间长短，转化为比较在相同时间内的澄清度；
二是先将酶溶液和牛奶保持在相同温度下，待二者温度相同后再对应添加；
三是每一组的牛奶和添加的酶溶液的量要相等，遵循等量原则。

通过以上问题的引导和分析，最终学生设计形成实验统计表如表2所示，以澄清度表示酶活性大小。

最后，教师通过收集所有小组的数据并输入Excel电子表格，现场拟合出温度对酶活性的影响曲线，如图4所示。其总体变化趋势与上述文献中的结果一致。该结果仅为定性的变化趋势，如果需要准确地测量出酶的最适温度（酶活性最高时所对应的温度），则可以使用分光光度法（吸收光谱法）等更为科学严谨的方法进行测量。通过实验的实施，学生更为直观地看到温度对酶活性的影响。

[师]与最适温度相比，高温和低温状态下，酶的活性均较低。在高温和低温下，酶活性较低的原因是否相同？若不相同，怎么验证？

[生]（讨论后）一是检验酶的分子结构是否改变；
二是设计实验，将低温组和高温组的酶分别收集起来，放置在最适温度下重复上述实验。如果催化效果良好，则证明酶的活性仅是受到抑制而已，如果催化效果仍然很低或者无催化效果，则证明酶的活性丧失。

[师]以上方案都很好，但是分子结构的改变与否不方便观察，设计实验验证最为直观。通过科学研究发现，低温仅仅是抑制酶的活性，通过升高温度，酶的活性可以恢复直至达到最大活性；
而高温则是破坏了酶的分子结构，使酶失去催化活性。课后同学们可以按照上述实验思路，继续开展探究，验证解释是否正确。

设计意图：通过对学生的学习过程和结果进行评价和认同，激励学生多思考。同时告知学生高低温对酶的分子结构和活性造成的影响不同，避免学生通过曲线的走势做出错误判断。明确不同酶的最适温度不同，甲酶的最适温度，对乙酶而言可能已是高温。人体内的酶之所以可以和平共处，达到其最大活性，是因为它们的最适温度基本都是37℃左右，这也是长期进化和适应的结果。当发热时，体温上升，各种消化酶的活性受到影响，从而导致无食欲等症状。

（四）学以致用，发展素养

[师]通过以上学习，如何用最少的加酶洗衣粉达到最佳的洗涤效果？

[生]检查加酶洗衣粉里是什么酶，查资料确定该酶的最适温度，用最适温度的水进行洗涤效果更好。

[师]在无氧条件下，酵母菌将葡萄糖转化为酒精，人们利用此原理酿造果酒。有些人酿造10-12天即可获得葡萄酒。同样的原料和酵母菌，有些人却需要近一个月才能得到同样纯度的葡萄酒。分析一下，可能是什么原因？

[生]（讨论后）在其他条件一样的前提下，可能是二者发酵的环境温度不同，酵母菌将葡萄糖转化为酒精需要酶的催化，如果温度太低或太高，则酶活性低，需要更长时间才能生成相同纯度的酒精，可以调整温度，尽量保持在酵母菌相应酶的最适温度下进行发酵。

设计意图：这两个问题源于实际，学生对洗衣服尤为熟悉，易引起共鸣。通过本节课的学习，学生可以很好地将知识迁移至解释现实生活现象和问题之中，理解其中的原由。大部分学生没有酿造葡萄酒的经历，但其是真实的情境，进一步引导学生迁移课本知识，尝试用所学所知解释遇到的真实问题。在问题链的推动下，学生逐渐建立起知识和实际的联系，慢慢形成解决问题的基本能力和素养，逐步拓宽看待问题的视野，提升解决问题的能力。

[师]酶的成分为蛋白质或RNA，其活性不仅受到温度的影响，同时也受到酸碱度的影响。与温度一样，不同的酶有最适合的酸碱度，即最适pH。与低温不同的是，过酸和过碱均会破坏酶的分子结构，使酶永久失活。人类口腔酸碱度近乎中性，大家思考一下，唾液淀粉酶随着食物流入胃腔后，是否还有活性？

[生]胃液为强酸，使唾液淀粉酶变性失活，丧失活性。

[师]解释的很好，大家尝试总结一下本节课的主要内容。

[生]酶的活性受温度和酸碱度两个外界因素影响，每一种酶都有其最适温度和pH。低温会抑制酶的活性，而高温、过酸和过碱均会使酶的分子结构遭到破坏而失去活性。

设计意图：通过学生总结和表述，强化知识内化，形成学生关于本节内容的知识的认知架构。同时，评价学生的掌握程度，对缺失的核心内容及时进行补充和完善。

五、教学反思

酶的特性一课，以真实情境导入教学，通过“用眼-动脑-用手-动口”多感官、多层次的递进教学设计，不断推进思维进阶，促进学生深度学习。在学习过程中，着力于推动学生解决单一问题的能力向解决一类问题的素养方向转变，拓宽学生思考问题的深广度。真实情境的运用和实验探究的实施，不断激发学生的求知欲和热情。在实践教学中，学生投入度高、参与度大、思考域广。同时，课时内容较多，学生活动多，思考讨论时间久，需要教师合理分配时间，既要保证教学活动的完整，更要保证教学活动的成效，使“教-学-评”一体化有效落实在各个教学环节。

[参 考 文 献]

[1]黄彩霞，张贤金.基于深度学习的化学课堂教學设计实践：以“二氧化硫的性质和作用”为例[J].中小学教学研究，2019（8）：51-55.

[2]李鹏，庄文颖.液态发酵条件下拟康宁木霉8985产纤维素酶能力初探[J].菌物学报，2022，41（2）：281-290.

[3]吴洁，杨梅.一株秸秆纤维素降解菌株的筛选及其降解特性[J].吉林化工学院学报，2021，38（7）：19-24.

[4]孙启星.酱油曲中谷氨酰胺酶酶学特性研究[J].中国调味品，2021，46（4）：82-85.

（责任编辑：姜显光）

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