资源简介

《降低化学反应活化能的酶》教学设计
一、教学目标
本单元聚焦课程标准中的重要概念“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些化学反应发生在细胞的特定区域”，该重要概念支撑大概念“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”。本单元对应次位概念“绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到环境因素的影响”，基于学科核心素养的教学目标设置如下：
1、通过酶的发现历程、酶与底物锁钥模型等科学史的分析，能基于生物学事实和证据运用归纳与概括、模型与建模等方法，说明酶在细胞代谢中的重要作用，解释酶的化学本质及催化机理；
2、通过自主设计探究实验（“比较过氧化氢在不同条件下的分解、酶催化的高效性、专一性及酶活性的影响因素”），使学生掌握生物科学研究方法与解决问题的基本步骤，学生能运用控制自变量和无关变量、观察和检测因变量、设置对照等科学探究思路，阐明酶特性及其活性受环境因素的影响；
3、通过探究实验环节培养学生实验设计能力，在实验过程中培养观察和分析问题的能力，熟练运用实验探究中的仪器，搭建完整实验仪器，熟悉规范的实验操作，并通过合作探究实验加强学生合作学习意识培养学生严谨、实事求是的科学态度；
4、通过对实验结果绘制成曲线，培养学生绘图、解读曲线、建构数学模型的能力，认识到酶促反应的影响因素；
5、通过阅读“关于酶本质的探索”的素材，开展思考与讨论，让学生认同科学是在不断地探索和争论中前进的，科学家也会有认识上的局限性；
6、通过酶的有关原理在生活、生产中的应用，认同酶具有高效、环保、节能等特点，愿意向他人宣传科学运用酶制剂，抵制有关酶保健品的虚假宣传。
二、课时安排
本节课程将分为2课时开展教学。第一节课主要介绍“酶的作用与本质”，课程设置理论学习与实验探究主要的两个环节。第二节课主要介绍“酶的特性”，学生通过实验探究的设计学习酶的高效性、专一性、条件温和性等特征。
三、教材分析
人教版《生物·必修１·分子与细胞》第５章第１节“降低化学反应活化能的酶”中包括“酶的作用和本质”和“酶的特性”两方面内容，主要的内容如图1所示：
本节教学内容的学科核心素养４个层次分析如下：
１、生命观念：酶的作用本质是降低反应所需的活化能，而酶的功能又受到结构的影响。温度、pH和抑制剂等因素会使酶的空间结构发生改变从而影响酶的功能。且酶的作用具有专一性，由于催化不同化学反应的酶与底物的结合具有特异性，因而一种酶只能催化一种或一类化学反应，这也与酶的结构有关。以上内容充分体现了生命观念中的结构与功能观。
２、科学思维：在影响酶促反应速率的因素与酶促反应速率之间可以建立数学模型，如温度与酶促反应速率、pH与酶促反应速率、底物浓度与酶促反应速率、竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂与酶促反应速率、反应时间与产物生成量的数学模型等。引导学生构建数学模型解决生物学问题是科学思维在课堂教学中的重要体现之一。
3、科学探究：教材在给出酶活性的概念后，通过学生已学知识和生活经验，引导学生提出探究问题并给出合理假设。并通过材料引导学生结合实验设计进行实验操作，对结果进行分析得出结论。以上内容蕴含科学探究的全过程。
4、社会责任：本节内容要求学生能够运用酶的相关知识解决生产和生活中的问题。通过溶菌酶具有抗菌消炎的作用，临床上与抗生素复合使用增强抗生素的疗效来说明酶在医学中的应用；通过果胶酶能够提高果汁出汁率来说明酶在生产中的应用；通过加酶洗衣粉、加酶牙膏以及多酶片来说明酶在生活中的应用。这些实例都能用于培养学生的社会责任素养。
四、学情分析
学生经过对组成细胞的分子和细胞的基本结构等内容的学习，已经形成了蛋白质的结构和功能、核酸由核苷酸聚合而成、细胞的功能是在细胞的特定区域完成等生命观念，对实验探究也有一定的体验和感悟。但学生对酶催化反应的机理、实验变量的控制、对照实验的设计等还缺少深人的理解，因此可以将“先扶后放”策略应用于此。教师要引导和指导学生从物质与能量的统一性、结构与功能的统一性等来探究，帮助学生形成“细胞内的化学反应依赖酶”的观念。“探究酶催化的专一性、高效性及影响酶活性的因素”活动可增强学生对酶的求知欲，运用扶放并重和以放为主的策略使学生掌握变量控制、对照实验设计的基本思路和方法，并运用酶的知识解决现实生活中的问题。
五、教学重难点
1、教学重点：酶的本质、作用与特性，影响酶的因素。利用学生对无机催化剂的知识基础切入，引入酶的学习。通过实验、资料分析得出酶的作用、特性。并通过数据模型得到影响酶的因素。
2、教学难点：培养学生的实验设计能力培养学生解读曲线、建构模型的能力；学会控制变量的科学方法与基本科学过程；酶降低化学反应活化能的原理。此环节可以利用讲授法、示范的方式相结合，先由教师展示再让学生自主学习设计探究实验。
六、教学方法
本节课程教学将以指向深度学习的5E教学模式为理论基础展开教学设计，同时结合化学、物理等学科的知识进行授课。深度学习是指在理解的基础上，学习者能够批判地将新知识融入原有的认知结构中，并能够将已有的知识迁移到新的情境中，作出决策和解决问题的学习。而5E教学模式是一种基于建构主义教学理论发展而来，强调创设能激发学生认知冲突的情境引入课题，在教师的指导和辅助下，学生主动探究和分析，逐步建构知识体系并发展应用技能。
参与：教师创设情境吸引学生注意力，如：利用教材“酶为生活添姿彩”内容，展示多酶片、加酶洗衣粉、生物酶牙膏等生活用品，请学生谈谈生活中接触过的酶有哪些，从而引入新课：为什么细胞代谢离不开酶？等内容，由此激发学生学习兴趣。
探究：教师提供实验材料，引导学生设计探究实验“比较过氧化氢在不同条件下的分解、酶催化的高效性、专一性及酶活性的影响因素“等，以达到学习目标。
解释：根据实验结果，带领学生一起分析实验结果，尝试总结酶的本质和作用。并学会对实验探究内容进行解释，阐述酶的特性。
迁移：通过对本节课程的学习，能够将其运用到社会生活中，例如“酶是万能的吗？口腔里有唾液淀粉酶，塞在牙缝里的肉丝为什么几个小时后还是没有被消化？”等问题，学会将所学知识迁移到社会问题中进行解释。
评价：在实验探究环节，能够对自己的实验设计进行分析评估，尝试创新实验过程，反思自己在实验过程中需要改进的地方等。
5E教学模式（参与、探究、解释、迁移、评价）与深度学习的基本特征（批判性学习、整合学习内容、建构知识体系、知识迁移、问题解决）存在异曲同工之妙。合理运用5E教学模式教学，有助于促进学生深度学习。
七、教学过程
课程：降低化学反应活化能的酶 课时：1
教学环节 教师活动 学生活动 活动意义
问题导入 利用多媒体展示多酶片、嫩肉粉、加酶洗衣粉、生物酶牙膏等日常生活用品，请学生谈谈生活中接触过的酶还有哪些，以及对酶的了解。 引入新课：为什么细胞代谢离不开酶？ 通过阅读生活用品中的配料表发现均含有“酶“由此认识到酶在许多生活产品中发挥重要作用，它能够促进物质的分解。 创设情境，激发学生对酶学习的兴趣
教师演示 教师演示初中学习过的过氧化氢水解反应，请学生回答反应式和实验现象并解释原因。 化学反应：H2O2 H2O+O2 实验现象：反应没有气泡 原因：没有二氧化锰催化剂 结合初中化学实验的复习，引出细胞是否也会产生过氧化氢，是否有物质会帮助其反应。
自主学习 教师提问学生： （1）在细胞中是否会产生过氧化氢，有什么物质可以帮助反应进行？ （2）如何获得这些物质（过氧化氢酶）？ 学生阅读书本P77页的内容并回答： （1）细胞中会产生过氧化氢，体内含有过氧化氢酶可以帮助其反应 （2）在新鲜肝脏细胞中存在很多过氧化氢酶，采用研磨的方式将过氧化氢酶取出。 自主阅读课本，锻炼材料抓取能力。
小组合作 实验探究 教师提问学生： 在“常温、加热、氯化铁、过氧化氢酶“这几种条件下，哪一种反应最快？ 学生作出假设：过氧化氢酶条件下反应最快。 学生根据已有知识，初步学会：作出假设、设计实验、实验验证、结果讨论、评价与反思等一系列科学探究的过程，并学会控制变量、设计对照实验等有关知识。在实验设计环节学会创新实验，锻炼了创新探究思维。
教师引导学生进行小组合作，设计探究实验的过程，分享实验设计思路。 在此期间，讲授自变量、因变量、无关变量、控制变量等概念。 教师分配任务，每一个小组完成一个实验探究，教师在教室中指导帮助学生完成实验。 学生小组讨论，写出实验思路，并由此展开实验探究： 第一组：常温 第二组：90℃左右水浴加热 第三组：滴入2滴氯化铁溶液，第四组：滴加２滴肝脏研磨液， 观察：用气球套在试管上观察其变化情况，或点燃的卫生香观察是否会复燃。
请每一个小组汇报实验结果，并对其进行评价。 学生汇报实验结果： 常温：无气泡、卫生香不燃烧 加热：少气泡、卫生香不燃烧 氯化铁：较多气泡、卫生香发亮 过氧化氢酶：大量气泡、卫生香复燃
概念教学 教师根据实验结果提问：加热能够加快反应速率的原理？ 教师由此结合酶反应的图片展示并阐述“活化能”的概念：分子由常态转变为容易发生化学变化反应的活跃状态所需要的能量。 学生思考理解：
加热可以促进过氧化氢分解，加热使得过氧化氢分子得到能量，由常态转变为容易分解的活跃状态。活跃状态的分子数量越多，反应速率越快。 通过实验教学结合教师的讲授法，使学生理解性的记忆“活化能”的概念。
模型演示 教师结合物理模型，展示活化能变化 材料：小球（代表分子）、不同高度的挡板（调节活化能大小）、斜坡 操作：用小球代表分子，防止在斜坡上（可以从不同高度上发射求），中间放置可以改变高度的物理挡板以改变活化能大小。 实验结果： （1）常温：很少小球可以越过挡板 （2）加热提供能量：将小球的高度加高，提供更多的势能（更多小球越过挡板） （3）氯化铁、过氧化氢：降低挡板的高度（降低活化能） 认真观看老师的演示，理解“活化能”的含义。 学生根据老师的模型展示，画出化学反应中，酶降低活化能的数学模型。 创新地使用物理模型，模拟化学反应中活化能、能量的变化过程，将抽象的对象具象化，帮助学生理解。
总结拓展 教师引导学生总结今天的课程内容。 教师拓展“4000年前我国已掌握了酿酒技术和《康熙字典》对‘酶’字的收录和解释”资料。 同时拓展有关酶的有关科学史，增加学生知识，领悟科学家精神。 学生认真总结复盘课程内容，做好思维导图。 认真学习，拓展知识。 通过介绍帮助学生树立文化自信，增强民族自豪感。同时，在介绍酶的科学史时认识到科学的发展不是一帆风顺，是不断进步的。
课时：降低化学反应活化能的酶 课时：2
教学活动 教师活动 学生活动 活动意义
情境 导入 教师提问“酶是万能的吗？腔里有唾液淀粉酶，塞在牙缝里的肉丝为什么几个小时后还是没有被消化？”的生活实例引入课题：酶的特性 学生思考问题并回答： 酶不是万能的，肉丝可能需要其他的酶才能将其消化分解。 通过生活事例进行导入，吸引学生主义，启发学生思考。
复习回顾 【探究酶的高效性】 教师随机邀请学生回顾并叙述上节课的实验现象。 提供资料：每滴FeCl3中铁离子数是每滴肝脏研磨液中过氧化酶分子数的20万倍。酶的催化效率是无机催化剂的107-1013倍左右。通过这则资料，你能得出什么结论？ 教师进一步提问：如果让你设计实验验证酶的高效性，实验的自变量、因变量和无关变量分别是什么？ 学生回顾上节课的实验结果： 第三组滴加２滴氯化铁，第四组滴加2滴肝脏研磨液。发现4号试管的气泡更多，催化效率更高。 学生回答：体现了酶的高效性 学生思考后回答：自变量是催化剂种类，因变量是产物生成速率，无关变量是温度、PH、体积等。 本环节不仅考察了学生对于上节课实验的掌握情况，还由此结合资料引出酶的高效性特征。并通过提问实验设计环节，检验学生对于自变量、因变量等概念的理解情况与应用能力，锻炼学生设计实验的思路。
探究实验 【探究酶的专一性】 教师说明：无机催化剂的催化范围比较广泛。比如酸既能催化蛋白质水解，也能催化脂肪水解，还能催化淀粉水解。那么一种酶是否也能催化多种化学反应呢？ 教师提供材料，请小组为单位利用已有知识进行实验设计，并进行分享 材料如下：淀粉酶、淀粉溶液（A）、蔗糖溶液（B）、斐林试剂、碘液 教师提问：能否使用碘液进行检测？ 教师根据汇报的思路，对其进行总结： 学生以小组为单位进行实验设计： 1、作出假设 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、确定自变量和因变量： 自变量（底物的种类：蔗糖、淀粉溶液） 因变量（底物的分解情况） 3、如何检验底物分解情况 使用斐林试剂，若淀粉酶只能分解淀粉则淀粉溶液试管变红，蔗糖试管不变；若淀粉酶分解蔗糖和淀粉，则两支试管均变红。 学生思考后回答：不能，蔗糖无论是否分解二都不会被碘液染色。 通过实验探究，复习回顾了上节课的实验流程，并根据已有知识进行实验设计。这个环节锻炼学生的动手实践能力，培养学生的科学探究思维，熟悉规范的实验操作，并通过合作探究实验加强学生合作学习意识培养学生严谨、实事求是的科学态度。在实验中，学生对每一个步骤都应理解其用意，通过直接动手经验提炼重要知识。
教师观察学生的实验情况，及时给予指导，并根据学生实验结果一起分析得出结论。 教师总结：通过实验推出淀粉酶只能催化淀粉水解。科学家也做了许多实验发现：一种酶只能催化一种或一类化学反应。通过不完全归纳法可得出：酶是具有专一性的。到目前为止，我们已经发现酶有8000多种，他们分别催化不同的化学反应。 学生根据实验进行操作，记录实验结果并进行小组讨论汇报。 学生得出结论：淀粉酶能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解
理论讲授 教师提出：我们常说功能与结构相适应，酶的这一特性与它的结构有什么联系吗？ 教师展示“锁钥模型”的视频，请学生思考酶在与底物接触前和接触后分别发生了什么变化。 学生认真观看视频，并思考回答问题：酶的活性中心与底物结合，不同酶活性中心的空间构象不同，只有当相应底物与酶的活性中心相契合时，催化作用才会生效。 通过视频，将微观结构宏观的展示出来，更易于学生对专一性的理解，并对结构与功能观有更深的认识。
设计实验 【探究酶的最适条件】 教师介绍：许多无机催化剂能在高温、高压、强酸或强碱条件下催化化学反应。而酶的本质大多数是蛋白质。之前学习蛋白质的时候曾提到蛋白质在高温、强碱、强酸等环境中会使蛋白质的空间结构松散，酶的活性中心出现改变，就可能会影响其催化作用。 介绍酶活性：酶催化特定化学反应的能力被称为酶活性。酶活性我们可以用一定条件下酶所能催化某一化学反应的速率表示（单位时间内、单位体积中底物的消耗量或产物的量表示）。 学生认真听课，认识酶的本质，明白蛋白质与酶之间的关系。了解酶活性的含义并做好笔记。 再次设置探究实验，使学生熟练掌握生物科学研究方法与解决问题的基本步骤，学生能运用控制自变量和无关变量、观察和检测因变量、设置对照等科学探究思路，阐明酶受环境因素的影响。在设计实验时注意实验细节。
教师提问：酶在高温、低温、强碱和强酸条件下其作用效果如何呢？酶活性会发生变化吗？ 请学生利用以下材料进行实验设计： 淀粉酶、淀粉溶液、过氧化氢酶、过氧化氢、各种pH的缓冲溶液 通过学生的实验设计，提问以下问题： 1、为什么不选择过氧化氢来探究温度？ 2、检测淀粉的剩余量还是还原糖的生成量呢？ 3、 先混合酶和底物再加热，还是先加热再混合？ 4、 为什么探究PH影响时建议使用过氧化氢呢？ 结合教师给出的材料进行实验设计。 学生思考并回答问题： 1、加热加快过氧化氢分解，那到底是加热使得分子热运动导致的反应，还是因为酶的作用导致就无法确定了。 2、斐林试剂需要加热（加热会改变自变量设计的温度），因此需要检测淀粉的剩余量，加碘液。 3、先加热并保温5分钟，这样才能保证酶在指定温度下催化。 4、之前说过酸既能催化淀粉水解，也能催化脂肪水解。自变量是PH，那你就不能确定是酶的作用还是酸的作用。
数学模型 由于课堂时间较为紧张，因此实验结果将以视频的形式展示给大家，请学生根据视频中的结论绘制数学模型，并得出 结论。 学生认真观看视频，作出数学模型。 学生得出结论：与无机催化剂相比，酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。 通过对实验结果绘制成曲线，培养学生绘图、解读曲线、建构数学模型的能力，认识到酶促反应的影响因素。在此培养学生对模型的建构能力，发展学生科学思维。
总结课程 教师就本节内容作出梳理，并留下思考题：去皮苹果果实变色是与多酚氧化酶有关的酶促褐变现象，引导学生课后从酶的角度考虑如何阻止去皮苹果变色。 学生认真听讲，总结回顾今天上课的内容。 通过设置情景问题，考察学生掌握知识的情况。
八、板书设计
1、第一课时板书设计：
2、第二课时板书设计

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