“探究pH對酶活性的影響”的教學策劃

教材設置了探究實驗探索酶的專一性和高效性，但對其需要適宜的條件只進行了簡單的講述。在教學實踐中，教師大膽拓展教材內容：在學生完成教材非完全探究實驗的基礎上，有意識地創設新的探究情境，誘導學生提出探究課題——探究pH對酶活性的影響。將教學活動組織成在教師引導下師生共同參與的探究活動，使學生通過參與高中生物學習中第一次完整的探究性實驗，體驗科學探究的過程，掌握科學探究的基本方法，培養和發展科學探究的基本能力和獲取新知識的能力，最終達到知識、能力、情感態度與價值觀等三個方面的教學目標。

1 創設探究情境，挖掘探究課題

科學探究是從問題開始的，而問題產生于懷疑。這是探究性學習的前提，是產生探究的內驅力。學生探究的問題必須符合自身的知識結構和認知水平，最好是從生活中發現的。

因此，在完成酶的概念以及酶具有高效性和專一性的特點的教學后，教師提出問題：

①為什么人感冒發燒時，會沒有食欲呢?②胃中的胃蛋白酶隨著食物進入到小腸能否繼續分解蛋白質?為什么?

學生圍繞這些問題，展開討論，結合剛學習的酶的有關知識以及化學知識，提出許多假設，通過討論交流，達成共識：溫度、pH是影響酶活性的重要因素。

教師接著提出：溫度(或pH)對酶活性有什么樣的影響?在什么溫度(或pH)時，酶活性最高?這時，學生的學習積極性被調動起來，產生了探究的欲望。學生都躍躍欲試，準備馬上動手實驗。

教師因勢利導布置探究課題：由于學生是第一次進行探究性實驗活動，先統一選取難易適中的課題“探究pH對酶活性的影響”，以后再繼續探究“溫度或其他因素對酶活性的影響”。

然后，教師要求每位學生根據探究課題寫出自己的探究方案。學生這才知道，今天的課題與以往不同，不再是依據教材或教師提供的實驗方案去做，而是要自己設計方案。學生們面面相覷，露出畏難的表情，剛才的熱情一下子冷了下來。

此時，教師一方面激勵他們，另一方面，對開展探究性實驗的一般方法和程序進行講解，主要是實驗原理的確立、實驗材料的選取原則等基本知識，為學生設計實驗奠定基礎，也增強了學生進行探究的信心。

2 明確探究要求，自主設計方案

鑒于學生初次進行探究實驗方案設計，教師對實驗方案的基本格式提出明確要求，即包括：

①實驗原理；

②實驗儀器、藥品；

③實驗步驟；

④實驗現象的觀察；

⑤實驗數據的收集。

同時教師提示學生，可以借鑒已有知識如“探索淀粉酶對淀粉和蔗糖的作用”的實驗設計思想，“生物組織中還原糖、脂肪、蛋白質的鑒定”中實驗現象的觀察方法等。

明確具體要求后教師提出要求：學生可以個人單獨設計，也可以兩人一組合作設計；并希望個人或小組提交的探究實驗方案與眾不同，有創新。

學生帶著興奮和沖動，很快就把探究實驗方案設計出來了。但大多數學生受以往學習習慣和思維慣性的影響，設計的方案多數是模仿教材實驗的方法，最常見的實驗方案有如下幾種。

方案1：以唾液淀粉酶或OL--淀粉酶為實驗材料，選擇pH為2的5％HCl、pH為7的蒸餾水、pH為14的5％NaOH作為實驗的pH研究范圍，用碘液檢驗淀粉是否存在，證明酶的活性。以期望得出唾液淀粉酶(或a－淀粉酶)的“最適pH”和唾液淀粉酶(或a－淀粉酶)的活性隨pH的變化而變化的規律。

方案2：以a－淀粉酶為實驗材料，選擇pH為2的5％HCl、pH為7的蒸餾水、pH為14的5％NaOH作為實驗的pH研究范圍，再用斐林試劑檢驗是否有還原糖存在，以證明酶的活性，并得出“一淀粉酶的“最適pH”和a－淀粉酶的活性隨pH的變化而變化的規律。

方案3：以過氧化氫酶為實驗對象，選用新鮮肝臟研磨液為材料，選擇pH為2的5％HCl、pH為7的蒸餾水、pH為14的5％NaOH作為實驗的pH研究范圍。再用點燃的衛生香分別放入試管內液面上方，觀察衛生香的燃燒情況，以此證明酶的活性，并得出過氧化氫酶的“最適pH”和過氧化氫酶的活性隨pH的變化而變化的規律。

這些實驗方案的不同之處主要是選用的實驗材料有差異，或是檢驗的方法有差異而已，但都存在著許多問題，甚至有很嚴重的科學性錯誤。教師此時并沒有直接指出這些問題和錯誤，而是首先指導學生通過實驗進行自我驗證。

3 實施設計方案，自我驗證質疑

采用“方案2”和“方案3”的學生很快就根據實驗結果得出了結論：唾液淀粉酶和過氧化氫酶的“最適pH”為7。當pH<2或pH>14時，唾液淀粉酶和過氧化氫酶將失去活性。但該結論是否準確、嚴密，學生就沒有考慮了。教師就提出問題請學生思考：pH<2或pH>14時，酶失去活性，只有pH為7時，酶有活性，反應能夠發生，這如何說明酶的“最適pH”值為7而不是6或者是其他值呢?學生一時回答不出來。教師緊接著引導學生從是“最適pH”的概念出發，思考：應該如何設計實驗，才能找到唾液淀粉酶和過氧化氫酶的“最適pH”?

而采用“方案1”的學生在完成實驗過程中，發現了自己設計的方案中存在的一些問題：用5％NaOH處理淀粉酶溶液后，再用碘液檢驗不變藍色，從而無法作出酶的活性隨pH的變化而變化的曲線，這與預測不相符。但為什么會出現這種情況?學生無法解釋。

4 交流完善方案，再次探究驗證

在學生完成了第一輪實驗而產生諸多疑問的基礎上，教師組織全班學生進行交流、討論和評析。圍繞交流實驗設計的思路、實驗操作的方法以及實驗中出現的問題等幾個方面，教師引導其他學生對這些方案的實驗結果和結論進行分析評價。對存在的問題，力圖通過師生之間、生生之間的分析評價，形成思維的碰撞，使學生能夠產生解決問題的新思路，迸發出創新思維的火花。

4.1

完善實驗設計思路

選取pH分別為2、7、14的溶液研究pH對酶活性的影響，能否得出酶的“最適pH”值?能否據此正確作出酶的活性隨pH的變化而變化的曲線?

這是一個普遍存在而又不被學生認識的問題，它反映出學生在科學方法和科學態度上存在著偏差。針對這種情況，教師首先要求學生根據得到的實驗數據繪制坐標曲線圖。由于學生只取得了3個實驗數據，繪制出的坐標曲線圖是2條直線，這時學生對自己原先得出的結論產生了懷疑。學生通過認真分析得出：實驗只設計了三個pH值點，其中酶只在一個pH是有活性的，這無法說明該pH是唾液淀粉酶的“最適pH”，更無法作出唾液淀粉酶的活性隨pH變化的曲線。教師引導學生進一步去尋找解決問題的思路，通過集體智慧交鋒，形成共同認識：應該設計多組不同pH梯度的環境作為相互對照，觀察相關酶在上述pH環境中的活性變化；然后在酶活性最強的pH與相鄰的pH之間，再設計若干組梯度不同的“pH環境”，觀察酶活性的變化，從而找到酶的“最適pH”，并作出酶的活性隨pH變化而變化的坐標曲線圖。

設計的思路和原理找到了，但新的問題又出現了：pH的梯度如何設計?在討論中，有的學生認為：當DH在2～14之間，以1為差值設計梯度，可以找出酶的“最適pH”。而有學生則認為這種方法太繁瑣，提出在pH2～14之間，以2為差值設計梯度，找到活性最強的、2個或3個pH值，在這兩個或三個pH，再以1為差值設計梯度，就可以找到酶的“最適pH”了。教師肯定兩種方法都是可行的，相對而言，后一種方法略微簡便一些。

4.2 控制相關實驗變量

此實驗的關鍵之一是要設計不同pH梯度的溶液環境，用5％HC1和5％NaOH是很難實現的，如何創設不同的pH環境呢?一位化學知識好的學生馬上回答：配制不同酶的“最適pH”的緩沖液進行實驗。要求學生應用相關的化學知識，多方面查閱相關資料，并在實驗中不斷改進。比如，有學生選取了pH為9的NH4—NHsCl緩沖液，用斐林試劑檢驗是否有還原糖存在，卻得不到預期的現象。學生經過分析發現：斐林試劑中的Cu2+首先與“緩沖液”發生了反應導致實驗失敗。又經過反復試驗，將pH為9的緩沖液改為NaHCO—Na2C03，終于取得成功。

另外，教師引導學生控制好無關變量，即對照實驗中每組實驗只有pH值不同，其他條件如溫度：酶濃度、底物濃度、反應時間等應相同且適宜。

4.3探索結果檢測方法

(1)以過氧化氫酶為實驗材料時，如何測量實驗結果?

采用“方案3”的在實驗中發現：在觀察衛生香燃燒情況獲取實驗結果證明酶的活性時，相鄰梯度pH間的現象區別不明顯，特別是酶的活性較弱時，效果更差。

如何解決這個問題呢?有一組學生經過反復嘗試，成功地研究出了有獨創性的方法：將過氧化氫、新鮮肝臟研磨液與不同pH的緩沖液等試劑分別裝入不同的試管后，迅速在試管口套上一個薄的小氣球。然后觀察氣體進入氣球的時間以及單位時間內氣球的充盈程度，以此來判斷酶的活性。實踐證明效果很好。

(2)為何用5％NaOH處理淀粉酶溶液后，再用碘液檢驗溶液不變藍色?

這是采用方案1的學生在實驗中遇到的問題。開始，學生在討論時沒有深入地分析，粗淺地認為是操作失誤造成的。教師就請學生嚴格按實驗程序再重新做一次，結果依然是“溶液不變藍色”。學生十分困惑，教師根據學生思維受限、學科間綜合知識缺乏的特點，引導學生運用化學知識分析出現問題的原因。經過分析和討論，發現在NaOH溶液中，碘會立即與NaOH發生反應生成Na1和NaIO。因此，溶液中沒有單質的碘存在，淀粉不會變成藍色。

找到失敗原因后，教師緊接著提出新的問題：在不改變實驗材料的前提下，如何改進實驗方法，解決上述問題?

學生認真思考后，有人提出：改用斐林試劑，可以檢驗淀粉水解后是否有還原的葡萄糖存在，即將原方案中檢驗反應物是否存在的方法改變為檢驗是否有特定生成物出現。受此思路啟發，又有學生提出更新穎而簡單的方法：可采用糖尿病試紙檢查溶液中是否有葡萄糖存在。但由于實驗室沒有糖尿病試紙，因此，教師請學生利用課余時間完成該方法的實驗。經過嘗試，學生發現，可以通過糖尿病試紙顏色深淺的變化，測定溶液中含糖量的多少，從而證明酶活性的強弱。因此，該方法在定性實驗中是可行的。

接著，教師請學生修改和補充完善自己或小組的探究方案，并再次實驗。在驗證探究方案正確性的同時，收集實驗數據。

完成探究實驗后，教師要求學生思考并總結：

①生物探究性實驗設計的一般方法和程序；

②對照實驗設計的原理以及注意事項；

③實驗數據和實驗結果的收集與處理方法。

通過總結，教師引導學生反思整個探索過程，將具體探究實驗過程和方法歸納升華為探究實驗設計的一般規律。