資源簡介

《降低化學反應活化能的酶》教學設計
一、教學目標
本單元聚焦課程標準中的重要概念“細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些化學反應發生在細胞的特定區域”，該重要概念支撐大概念“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”。本單元對應次位概念“絕大多數酶是一類能催化生化反應的蛋白質，酶活性受到環境因素的影響”，基于學科核心素養的教學目標設置如下：
1、通過酶的發現歷程、酶與底物鎖鑰模型等科學史的分析，能基于生物學事實和證據運用歸納與概括、模型與建模等方法，說明酶在細胞代謝中的重要作用，解釋酶的化學本質及催化機理；
2、通過自主設計探究實驗（“比較過氧化氫在不同條件下的分解、酶催化的高效性、專一性及酶活性的影響因素”），使學生掌握生物科學研究方法與解決問題的基本步驟，學生能運用控制自變量和無關變量、觀察和檢測因變量、設置對照等科學探究思路，闡明酶特性及其活性受環境因素的影響；
3、通過探究實驗環節培養學生實驗設計能力，在實驗過程中培養觀察和分析問題的能力，熟練運用實驗探究中的儀器，搭建完整實驗儀器，熟悉規范的實驗操作，并通過合作探究實驗加強學生合作學習意識培養學生嚴謹、實事求是的科學態度；
4、通過對實驗結果繪制成曲線，培養學生繪圖、解讀曲線、建構數學模型的能力，認識到酶促反應的影響因素；
5、通過閱讀“關于酶本質的探索”的素材，開展思考與討論，讓學生認同科學是在不斷地探索和爭論中前進的，科學家也會有認識上的局限性；
6、通過酶的有關原理在生活、生產中的應用，認同酶具有高效、環保、節能等特點，愿意向他人宣傳科學運用酶制劑，抵制有關酶保健品的虛假宣傳。
二、課時安排
本節課程將分為2課時開展教學。第一節課主要介紹“酶的作用與本質”，課程設置理論學習與實驗探究主要的兩個環節。第二節課主要介紹“酶的特性”，學生通過實驗探究的設計學習酶的高效性、專一性、條件溫和性等特征。
三、教材分析
人教版《生物·必修１·分子與細胞》第５章第１節“降低化學反應活化能的酶”中包括“酶的作用和本質”和“酶的特性”兩方面內容，主要的內容如圖1所示：
本節教學內容的學科核心素養４個層次分析如下：
１、生命觀念：酶的作用本質是降低反應所需的活化能，而酶的功能又受到結構的影響。溫度、pH和抑制劑等因素會使酶的空間結構發生改變從而影響酶的功能。且酶的作用具有專一性，由于催化不同化學反應的酶與底物的結合具有特異性，因而一種酶只能催化一種或一類化學反應，這也與酶的結構有關。以上內容充分體現了生命觀念中的結構與功能觀。
２、科學思維：在影響酶促反應速率的因素與酶促反應速率之間可以建立數學模型，如溫度與酶促反應速率、pH與酶促反應速率、底物濃度與酶促反應速率、競爭性抑制劑和非競爭性抑制劑與酶促反應速率、反應時間與產物生成量的數學模型等。引導學生構建數學模型解決生物學問題是科學思維在課堂教學中的重要體現之一。
3、科學探究：教材在給出酶活性的概念后，通過學生已學知識和生活經驗，引導學生提出探究問題并給出合理假設。并通過材料引導學生結合實驗設計進行實驗操作，對結果進行分析得出結論。以上內容蘊含科學探究的全過程。
4、社會責任：本節內容要求學生能夠運用酶的相關知識解決生產和生活中的問題。通過溶菌酶具有抗菌消炎的作用，臨床上與抗生素復合使用增強抗生素的療效來說明酶在醫學中的應用；通過果膠酶能夠提高果汁出汁率來說明酶在生產中的應用；通過加酶洗衣粉、加酶牙膏以及多酶片來說明酶在生活中的應用。這些實例都能用于培養學生的社會責任素養。
四、學情分析
學生經過對組成細胞的分子和細胞的基本結構等內容的學習，已經形成了蛋白質的結構和功能、核酸由核苷酸聚合而成、細胞的功能是在細胞的特定區域完成等生命觀念，對實驗探究也有一定的體驗和感悟。但學生對酶催化反應的機理、實驗變量的控制、對照實驗的設計等還缺少深人的理解，因此可以將“先扶后放”策略應用于此。教師要引導和指導學生從物質與能量的統一性、結構與功能的統一性等來探究，幫助學生形成“細胞內的化學反應依賴酶”的觀念。“探究酶催化的專一性、高效性及影響酶活性的因素”活動可增強學生對酶的求知欲，運用扶放并重和以放為主的策略使學生掌握變量控制、對照實驗設計的基本思路和方法，并運用酶的知識解決現實生活中的問題。
五、教學重難點
1、教學重點：酶的本質、作用與特性，影響酶的因素。利用學生對無機催化劑的知識基礎切入，引入酶的學習。通過實驗、資料分析得出酶的作用、特性。并通過數據模型得到影響酶的因素。
2、教學難點：培養學生的實驗設計能力培養學生解讀曲線、建構模型的能力；學會控制變量的科學方法與基本科學過程；酶降低化學反應活化能的原理。此環節可以利用講授法、示范的方式相結合，先由教師展示再讓學生自主學習設計探究實驗。
六、教學方法
本節課程教學將以指向深度學習的5E教學模式為理論基礎展開教學設計，同時結合化學、物理等學科的知識進行授課。深度學習是指在理解的基礎上，學習者能夠批判地將新知識融入原有的認知結構中，并能夠將已有的知識遷移到新的情境中，作出決策和解決問題的學習。而5E教學模式是一種基于建構主義教學理論發展而來，強調創設能激發學生認知沖突的情境引入課題，在教師的指導和輔助下，學生主動探究和分析，逐步建構知識體系并發展應用技能。
參與：教師創設情境吸引學生注意力，如：利用教材“酶為生活添姿彩”內容，展示多酶片、加酶洗衣粉、生物酶牙膏等生活用品，請學生談談生活中接觸過的酶有哪些，從而引入新課：為什么細胞代謝離不開酶？等內容，由此激發學生學習興趣。
探究：教師提供實驗材料，引導學生設計探究實驗“比較過氧化氫在不同條件下的分解、酶催化的高效性、專一性及酶活性的影響因素“等，以達到學習目標。
解釋：根據實驗結果，帶領學生一起分析實驗結果，嘗試總結酶的本質和作用。并學會對實驗探究內容進行解釋，闡述酶的特性。
遷移：通過對本節課程的學習，能夠將其運用到社會生活中，例如“酶是萬能的嗎？口腔里有唾液淀粉酶，塞在牙縫里的肉絲為什么幾個小時后還是沒有被消化？”等問題，學會將所學知識遷移到社會問題中進行解釋。
評價：在實驗探究環節，能夠對自己的實驗設計進行分析評估，嘗試創新實驗過程，反思自己在實驗過程中需要改進的地方等。
5E教學模式（參與、探究、解釋、遷移、評價）與深度學習的基本特征（批判性學習、整合學習內容、建構知識體系、知識遷移、問題解決）存在異曲同工之妙。合理運用5E教學模式教學，有助于促進學生深度學習。
七、教學過程
課程：降低化學反應活化能的酶 課時：1
教學環節 教師活動 學生活動 活動意義
問題導入 利用多媒體展示多酶片、嫩肉粉、加酶洗衣粉、生物酶牙膏等日常生活用品，請學生談談生活中接觸過的酶還有哪些，以及對酶的了解。 引入新課：為什么細胞代謝離不開酶？ 通過閱讀生活用品中的配料表發現均含有“酶“由此認識到酶在許多生活產品中發揮重要作用，它能夠促進物質的分解。 創設情境，激發學生對酶學習的興趣
教師演示 教師演示初中學習過的過氧化氫水解反應，請學生回答反應式和實驗現象并解釋原因。 化學反應：H2O2 H2O+O2 實驗現象：反應沒有氣泡 原因：沒有二氧化錳催化劑 結合初中化學實驗的復習，引出細胞是否也會產生過氧化氫，是否有物質會幫助其反應。
自主學習 教師提問學生： （1）在細胞中是否會產生過氧化氫，有什么物質可以幫助反應進行？ （2）如何獲得這些物質（過氧化氫酶）？ 學生閱讀書本P77頁的內容并回答： （1）細胞中會產生過氧化氫，體內含有過氧化氫酶可以幫助其反應 （2）在新鮮肝臟細胞中存在很多過氧化氫酶，采用研磨的方式將過氧化氫酶取出。 自主閱讀課本，鍛煉材料抓取能力。
小組合作 實驗探究 教師提問學生： 在“常溫、加熱、氯化鐵、過氧化氫酶“這幾種條件下，哪一種反應最快？ 學生作出假設：過氧化氫酶條件下反應最快。 學生根據已有知識，初步學會：作出假設、設計實驗、實驗驗證、結果討論、評價與反思等一系列科學探究的過程，并學會控制變量、設計對照實驗等有關知識。在實驗設計環節學會創新實驗，鍛煉了創新探究思維。
教師引導學生進行小組合作，設計探究實驗的過程，分享實驗設計思路。 在此期間，講授自變量、因變量、無關變量、控制變量等概念。 教師分配任務，每一個小組完成一個實驗探究，教師在教室中指導幫助學生完成實驗。 學生小組討論，寫出實驗思路，并由此展開實驗探究： 第一組：常溫 第二組：90℃左右水浴加熱 第三組：滴入2滴氯化鐵溶液，第四組：滴加２滴肝臟研磨液， 觀察：用氣球套在試管上觀察其變化情況，或點燃的衛生香觀察是否會復燃。
請每一個小組匯報實驗結果，并對其進行評價。 學生匯報實驗結果： 常溫：無氣泡、衛生香不燃燒 加熱：少氣泡、衛生香不燃燒 氯化鐵：較多氣泡、衛生香發亮 過氧化氫酶：大量氣泡、衛生香復燃
概念教學 教師根據實驗結果提問：加熱能夠加快反應速率的原理？ 教師由此結合酶反應的圖片展示并闡述“活化能”的概念：分子由常態轉變為容易發生化學變化反應的活躍狀態所需要的能量。 學生思考理解：
加熱可以促進過氧化氫分解，加熱使得過氧化氫分子得到能量，由常態轉變為容易分解的活躍狀態。活躍狀態的分子數量越多，反應速率越快。 通過實驗教學結合教師的講授法，使學生理解性的記憶“活化能”的概念。
模型演示 教師結合物理模型，展示活化能變化 材料：小球（代表分子）、不同高度的擋板（調節活化能大小）、斜坡 操作：用小球代表分子，防止在斜坡上（可以從不同高度上發射求），中間放置可以改變高度的物理擋板以改變活化能大小。 實驗結果： （1）常溫：很少小球可以越過擋板 （2）加熱提供能量：將小球的高度加高，提供更多的勢能（更多小球越過擋板） （3）氯化鐵、過氧化氫：降低擋板的高度（降低活化能） 認真觀看老師的演示，理解“活化能”的含義。 學生根據老師的模型展示，畫出化學反應中，酶降低活化能的數學模型。 創新地使用物理模型，模擬化學反應中活化能、能量的變化過程，將抽象的對象具象化，幫助學生理解。
總結拓展 教師引導學生總結今天的課程內容。 教師拓展“4000年前我國已掌握了釀酒技術和《康熙字典》對‘酶’字的收錄和解釋”資料。 同時拓展有關酶的有關科學史，增加學生知識，領悟科學家精神。 學生認真總結復盤課程內容，做好思維導圖。 認真學習，拓展知識。 通過介紹幫助學生樹立文化自信，增強民族自豪感。同時，在介紹酶的科學史時認識到科學的發展不是一帆風順，是不斷進步的。
課時：降低化學反應活化能的酶 課時：2
教學活動 教師活動 學生活動 活動意義
情境 導入 教師提問“酶是萬能的嗎？腔里有唾液淀粉酶，塞在牙縫里的肉絲為什么幾個小時后還是沒有被消化？”的生活實例引入課題：酶的特性 學生思考問題并回答： 酶不是萬能的，肉絲可能需要其他的酶才能將其消化分解。 通過生活事例進行導入，吸引學生主義，啟發學生思考。
復習回顧 【探究酶的高效性】 教師隨機邀請學生回顧并敘述上節課的實驗現象。 提供資料：每滴FeCl3中鐵離子數是每滴肝臟研磨液中過氧化酶分子數的20萬倍。酶的催化效率是無機催化劑的107-1013倍左右。通過這則資料，你能得出什么結論？ 教師進一步提問：如果讓你設計實驗驗證酶的高效性，實驗的自變量、因變量和無關變量分別是什么？ 學生回顧上節課的實驗結果： 第三組滴加２滴氯化鐵，第四組滴加2滴肝臟研磨液。發現4號試管的氣泡更多，催化效率更高。 學生回答：體現了酶的高效性 學生思考后回答：自變量是催化劑種類，因變量是產物生成速率，無關變量是溫度、PH、體積等。 本環節不僅考察了學生對于上節課實驗的掌握情況，還由此結合資料引出酶的高效性特征。并通過提問實驗設計環節，檢驗學生對于自變量、因變量等概念的理解情況與應用能力，鍛煉學生設計實驗的思路。
探究實驗 【探究酶的專一性】 教師說明：無機催化劑的催化范圍比較廣泛。比如酸既能催化蛋白質水解，也能催化脂肪水解，還能催化淀粉水解。那么一種酶是否也能催化多種化學反應呢？ 教師提供材料，請小組為單位利用已有知識進行實驗設計，并進行分享 材料如下：淀粉酶、淀粉溶液（A）、蔗糖溶液（B）、斐林試劑、碘液 教師提問：能否使用碘液進行檢測？ 教師根據匯報的思路，對其進行總結： 學生以小組為單位進行實驗設計： 1、作出假設 ①淀粉酶只能催化淀粉溶液 ②淀粉酶既能催化淀粉溶液，也能催化蔗糖溶液 2、確定自變量和因變量： 自變量（底物的種類：蔗糖、淀粉溶液） 因變量（底物的分解情況） 3、如何檢驗底物分解情況 使用斐林試劑，若淀粉酶只能分解淀粉則淀粉溶液試管變紅，蔗糖試管不變；若淀粉酶分解蔗糖和淀粉，則兩支試管均變紅。 學生思考后回答：不能，蔗糖無論是否分解二都不會被碘液染色。 通過實驗探究，復習回顧了上節課的實驗流程，并根據已有知識進行實驗設計。這個環節鍛煉學生的動手實踐能力，培養學生的科學探究思維，熟悉規范的實驗操作，并通過合作探究實驗加強學生合作學習意識培養學生嚴謹、實事求是的科學態度。在實驗中，學生對每一個步驟都應理解其用意，通過直接動手經驗提煉重要知識。
教師觀察學生的實驗情況，及時給予指導，并根據學生實驗結果一起分析得出結論。 教師總結：通過實驗推出淀粉酶只能催化淀粉水解。科學家也做了許多實驗發現：一種酶只能催化一種或一類化學反應。通過不完全歸納法可得出：酶是具有專一性的。到目前為止，我們已經發現酶有8000多種，他們分別催化不同的化學反應。 學生根據實驗進行操作，記錄實驗結果并進行小組討論匯報。 學生得出結論：淀粉酶能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解
理論講授 教師提出：我們常說功能與結構相適應，酶的這一特性與它的結構有什么聯系嗎？ 教師展示“鎖鑰模型”的視頻，請學生思考酶在與底物接觸前和接觸后分別發生了什么變化。 學生認真觀看視頻，并思考回答問題：酶的活性中心與底物結合，不同酶活性中心的空間構象不同，只有當相應底物與酶的活性中心相契合時，催化作用才會生效。 通過視頻，將微觀結構宏觀的展示出來，更易于學生對專一性的理解，并對結構與功能觀有更深的認識。
設計實驗 【探究酶的最適條件】 教師介紹：許多無機催化劑能在高溫、高壓、強酸或強堿條件下催化化學反應。而酶的本質大多數是蛋白質。之前學習蛋白質的時候曾提到蛋白質在高溫、強堿、強酸等環境中會使蛋白質的空間結構松散，酶的活性中心出現改變，就可能會影響其催化作用。 介紹酶活性：酶催化特定化學反應的能力被稱為酶活性。酶活性我們可以用一定條件下酶所能催化某一化學反應的速率表示（單位時間內、單位體積中底物的消耗量或產物的量表示）。 學生認真聽課，認識酶的本質，明白蛋白質與酶之間的關系。了解酶活性的含義并做好筆記。 再次設置探究實驗，使學生熟練掌握生物科學研究方法與解決問題的基本步驟，學生能運用控制自變量和無關變量、觀察和檢測因變量、設置對照等科學探究思路，闡明酶受環境因素的影響。在設計實驗時注意實驗細節。
教師提問：酶在高溫、低溫、強堿和強酸條件下其作用效果如何呢？酶活性會發生變化嗎？ 請學生利用以下材料進行實驗設計： 淀粉酶、淀粉溶液、過氧化氫酶、過氧化氫、各種pH的緩沖溶液 通過學生的實驗設計，提問以下問題： 1、為什么不選擇過氧化氫來探究溫度？ 2、檢測淀粉的剩余量還是還原糖的生成量呢？ 3、 先混合酶和底物再加熱，還是先加熱再混合？ 4、 為什么探究PH影響時建議使用過氧化氫呢？ 結合教師給出的材料進行實驗設計。 學生思考并回答問題： 1、加熱加快過氧化氫分解，那到底是加熱使得分子熱運動導致的反應，還是因為酶的作用導致就無法確定了。 2、斐林試劑需要加熱（加熱會改變自變量設計的溫度），因此需要檢測淀粉的剩余量，加碘液。 3、先加熱并保溫5分鐘，這樣才能保證酶在指定溫度下催化。 4、之前說過酸既能催化淀粉水解，也能催化脂肪水解。自變量是PH，那你就不能確定是酶的作用還是酸的作用。
數學模型 由于課堂時間較為緊張，因此實驗結果將以視頻的形式展示給大家，請學生根據視頻中的結論繪制數學模型，并得出 結論。 學生認真觀看視頻，作出數學模型。 學生得出結論：與無機催化劑相比，酶所催化的化學反應一般是在比較溫和的條件下進行的。 通過對實驗結果繪制成曲線，培養學生繪圖、解讀曲線、建構數學模型的能力，認識到酶促反應的影響因素。在此培養學生對模型的建構能力，發展學生科學思維。
總結課程 教師就本節內容作出梳理，并留下思考題：去皮蘋果果實變色是與多酚氧化酶有關的酶促褐變現象，引導學生課后從酶的角度考慮如何阻止去皮蘋果變色。 學生認真聽講，總結回顧今天上課的內容。 通過設置情景問題，考察學生掌握知識的情況。
八、板書設計
1、第一課時板書設計：
2、第二課時板書設計

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