在“溫度影響酶活性”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)探究能力

陳加敏 鐘能政

(安徽省合肥市第一中學(xué) 230601) (安徽省教育科學(xué)研究院 合肥 230061)

“探究影響酶活性的條件”是高中生物學(xué)教學(xué)中一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)[1]。本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是：根據(jù)探究的問題設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案；學(xué)會(huì)控制自變量，觀察和檢測(cè)因變量的變化，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納溫度對(duì)酶活性的影響規(guī)律；學(xué)會(huì)大膽質(zhì)疑，用證據(jù)進(jìn)行辯護(hù)。對(duì)于能否“用過氧化氫酶探究溫度對(duì)酶的影響”，在高中生物學(xué)教學(xué)中普遍持否定的態(tài)度，原因在于高溫會(huì)影響過氧化氫的分解，會(huì)導(dǎo)致溫度對(duì)過氧化氫酶活性影響的誤判。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生利用新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%豬肝研磨液為材料，開展“溫度影響酶活性”的探究活動(dòng)，這樣的活動(dòng)不僅能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提升學(xué)生的高階思維能力，而且有利于質(zhì)疑精神的培養(yǎng)。現(xiàn)將學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的層層質(zhì)疑、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)等探究的歷程總結(jié)如下。

1 組織開展實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和用具 3%過氧化氫溶液、新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%豬肝研磨液、蒸餾水和冰塊，以及量筒、燒杯、試管及試管架、滴管和水浴鍋等。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果 首先采用體積分?jǐn)?shù)為3%的過氧化氫溶液，探究溫度對(duì)20%豬肝研磨液中過氧化氫酶活性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 溫度對(duì)過氧化氫酶活性的影響

與預(yù)期完全不同的是，溫度對(duì)過氧化氫酶活性的影響實(shí)驗(yàn)表明，在冰水中也有大量氣泡的產(chǎn)生，與37℃水浴中的氣泡產(chǎn)生量基本一致，說明過氧化氫酶在0℃也有較強(qiáng)的活性；在沸水中水浴的過氧化氫酶溶液和過氧化氫溶液混合后氣泡產(chǎn)生速度相對(duì)很緩慢，說明過氧化氫酶的活性受到了影響。實(shí)驗(yàn)證明，3%的過氧化氫溶液在沸水中并未出現(xiàn)大量氣泡，反而是0℃低溫(未出現(xiàn)對(duì)酶活性有明顯抑制效應(yīng))而出現(xiàn)大量氣泡。預(yù)期之外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果極大地促進(jìn)了學(xué)生的質(zhì)疑、討論和進(jìn)一步探究的熱情。

2 鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑，進(jìn)行深入探究

2.1 學(xué)生對(duì)“高溫影響過氧化氫酶活性”結(jié)果的質(zhì)疑 高溫條件下(沸水水浴)過氧化氫酶溶液與3%過氧化氫混合后少量氣泡的產(chǎn)生，經(jīng)過師生討論，認(rèn)為可能原因是：①沸水降低了酶的活性，但酶并未完全失活；②酶已失活，高溫使過氧化氫分解；③酶活性降低和溫度使過氧化氫分解的疊加效應(yīng)。為了證明是哪種原因正確，學(xué)生通過討論分析，設(shè)計(jì)了如下改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，探究高溫對(duì)酶活性的影響，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表2 高溫對(duì)過氧化氫酶活性影響的探究實(shí)驗(yàn)

學(xué)生通過對(duì)表2中各試管反應(yīng)中氣泡產(chǎn)生量的比較，發(fā)現(xiàn)試管1和2分別有大量和少量氣泡產(chǎn)生。與試管1對(duì)照，試管3實(shí)驗(yàn)是將經(jīng)過5 min沸水水浴的過氧化氫酶溶液放入37℃充分水浴后，再加入3% H2O2溶液，發(fā)現(xiàn)無氣泡的產(chǎn)生。說明高溫破壞了酶的活性。試管4中加入等量的H2O代替過氧化氫酶溶液，發(fā)現(xiàn)試管2和4的氣泡產(chǎn)生速度相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了試管2沸水中的酶促反應(yīng)結(jié)果是溫度升高使過氧化氫分解加快，而非酶的作用。學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：高溫對(duì)過氧化氫酶活性有影響，且高溫使酶失活具有不可逆性。

2.2 學(xué)生對(duì)“低溫影響過氧化氫酶活性”結(jié)果的質(zhì)疑 低溫(冰水水浴)對(duì)過氧化氫酶活性并未表現(xiàn)出明顯的抑制作用，師生討論后認(rèn)為可能的原因主要有：①0℃和37℃條件下酶的活性一致；②酶濃度過大，即使低溫(冰水)使酶活性下降，由于酶濃度較大，短時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速度也可能較快，因此通過檢測(cè)氣泡產(chǎn)生速度或產(chǎn)生量不能檢測(cè)出低溫對(duì)酶活性的抑制效應(yīng)。為了證明兩種假設(shè)的正確與否，通過師生互動(dòng)交流，采用將20%豬肝研磨液稀釋50倍制備過氧化氫酶溶液，并設(shè)計(jì)了如下改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果見表3。

表3 低溫對(duì)過氧化氫酶活性影響的探究實(shí)驗(yàn)

*表示20%豬肝研磨液的50倍稀釋液

表3中試管1和2氣泡產(chǎn)生速度的比較表明，0℃和37℃條件下過氧化氫酶的活性并非一致，低溫顯著降低了酶的活性；試管3和試管1、2相比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了低溫使酶的活性下降，但并未失活。因此，探究低溫對(duì)過氧化氫酶活性的影響也是可行的。為了進(jìn)一步探究教材中提到的“低溫抑制酶的活性，而非使酶失活”的結(jié)論，師生討論并設(shè)計(jì)了試管4實(shí)驗(yàn)，即經(jīng)過5min低溫處理的過氧化氫酶溶液，再放入37℃水浴條件進(jìn)行酶促反應(yīng)，與試管1對(duì)照，氣泡產(chǎn)生量并無明顯差異，說明低溫只是抑制了酶的活性，若調(diào)節(jié)溫度至最適溫度，酶的活性將升高。

3 教學(xué)反思

通過學(xué)生的自主探究，科學(xué)地證明了利用過氧化氫酶探究溫度對(duì)酶活性影響的可行性。實(shí)驗(yàn)表明，雖然高溫會(huì)使過氧化氫分解，但利用高溫使酶失活不可逆的特點(diǎn)，完全可以探究高溫對(duì)酶活性的實(shí)驗(yàn)。而低溫不能完全抑制酶的活性。難得可貴的是，針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的預(yù)期之外的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，師生通過提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論等科學(xué)探究，最終找到解決問題的方法。因此，該實(shí)驗(yàn)成功的開展，學(xué)生不僅充分理解了溫度對(duì)酶活性影響的特點(diǎn)，而且充分體現(xiàn)學(xué)生身上蘊(yùn)藏著巨大的潛力，同時(shí)也極大地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和科學(xué)探究能力的提升。