“探究影響酶活性的條件”一節探究式教學

楊彩云 沈 璟

（北京市對外經濟貿易大學附屬中學 北京 100102）

生命科學是一門以實驗為基礎的自然科學。探究性實驗活動有利于發揮學生的主體性地位，激發學生主動參與整個教學過程，學生從中學會觀察現象、發現問題，同時在教師的引導下，在探究過程中主動地對實驗現象和數據進行分析和研究。本節課充分挖掘教材中可探究點，以分組教學的方式開展實驗探究。學生在自主設計實驗的過程中主動提出問題，不但有利于學生主動構建知識體系，學習生物科學的研究方法，體會科學研究的一般過程，同時有助于激發學生的學習興趣，培養學生的創新精神和實踐能力。

1 “探究影響酶活性的條件”面臨的難點

新課程標準指出，實驗教學是生物學課程的特點，也是生物學教學的基本形式之一，為更好地開展實驗教學，教師在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質［1］。傳統的“探究影響酶活性的條件”實驗為定性實驗，學生對酶的最適條件只有非常粗淺的認識，無法體會教材中相應的曲線是如何獲得的，也無法將曲線與實驗相對應。為解決該問題，教師改進原有實驗教學內容，通過設置多個溫度點（0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃）， 以及 pH 值（2、4、7、9、12）， 實現對實驗條件的精確控制，同時用分光光度計及注射器對實驗結果進行精確測量，引領學生從實驗初始就以科學家的視角思考問題，體會科學家嚴謹的思維方式，從而養成科學的研究態度。

1.1 淀粉溶液的溶解度問題 本實驗中采用分光光度計測定最終剩余淀粉含量的吸光值。分光光度計主要用于檢測溶液中吸光度的變化。根據朗伯-比爾定律，當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度A與吸光物質的濃度c及吸收層厚度b成正比，控制吸收層厚度b，便可根據吸光度的變化確定待測物質的濃度。因此，為了獲得準確的實驗結果，需要使用淀粉溶液進行測量。由于實驗中現有普通淀粉為非可溶性淀粉，普通淀粉在常溫下溶解度很小，其水溶液無法使碘液變藍。經過反復摸索發現，將一定量的普通淀粉溶于沸水，再冷卻可以獲得淀粉溶液。

1.2 高溫下淀粉遇碘不變藍 研究表明，高溫時淀粉遇碘不變藍，只有冷卻后才能恢復藍色，可能是由于熱運動使螺旋卷曲的淀粉分子伸長，無法形成成串的淀粉-碘分子絡合物，藍色消失；冷卻后淀粉恢復螺旋卷曲狀，再次與碘分子形成成串的淀粉-碘絡合物，溶液再次呈現出藍色［2］。為解決上述問題，需要將試管置于常溫水浴中2 min。由于常溫下淀粉被淀粉酶水解較慢，在一定時間內可保持穩定，同時對所有試管進行相同處理，實驗結果幾乎不受影響，具有較好的可重復性。

1.3 溶液濃度的確定 由于溫度對酶活性的影響，實驗需要使用分光光度計在680 nm波長下進行定量，而分光光度計具有一定量程，因此前人的淀粉溶液、淀粉酶溶液、過氧化氫溶液的濃度均需重新確定，經過前期大量的預實驗確定：α-淀粉酶溶液濃度為0.01 g／L，淀粉溶液濃度為0.08 g／L，過氧化氫溶液濃度為5%，碘液用75%酒精溶解至飽和，過氧化氫酶采用新鮮研磨的肝臟勻漿。

1.4 氧氣的定量 由于pH對酶活性的影響實驗也設計為定量實驗，需要對氧氣進行收集并測定；根據前人的研究［3］，本實驗設計利用注射器收集氧氣、注射器上的刻度用于測量氧氣的量，實驗裝置如圖1所示。為了使學生獲得明顯的實驗效果，教師經過前期大量的預實驗，最終確定pH值分別為 2、4、7、9、12 時，具有較明顯的曲線。

圖1 氧氣測量裝置圖

2 學生主動參與實驗探究

對于知識的綜合應用是學生能力提升的一個重要體現。學生在上節課已通過過氧化氫在不同條件下的分解，學習了酶的高效性及相關的實驗知識：自變量、因變量、無關變量、對照實驗設計的方法和原則。在此基礎上，教師通過提問的方式引導學生應用相關知識設計實驗解決問題。

2.1 教師引導，提出假設 教師首先通過加酶洗衣粉包裝袋引發學生的好奇心，并用一系列問題串引導學生思考：為什么加酶洗衣粉包裝袋上要注明洗衣粉的適用溫度范圍？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，生物體內的酶能經受住這些反應條件嗎？酶起催化作用需要什么條件？

學生根據常識能說出酶不能經受高溫、高壓、強酸、強堿的條件，并提出假設：溫度和pH值會影響酶的活性。

2.2 根據實驗材料，設計實驗步驟 根據實驗假設，教師提供實驗材料（淀粉酶溶液、肝臟研磨液、淀粉溶液、5%的 H2O2溶液、碘液、斐林試劑），以及實驗用具（冰塊，溫度分別為 0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃的水浴鍋，分光光度計，pH 值分別為 2、4、7、9、12 的緩沖液，試管，試管架，注射器，膠塞），并介紹分光光度計的基本原理：分光光度計可測得溶液的吸光值A（物質對光的吸收程度），吸光值A越大則溶液濃度越大。學生根據教材的提示自主選擇實驗材料和實驗用具，分組討論、設計實驗探究溫度和pH值對酶活性的影響。

由于高一年級學生接觸實驗的時間不長，思維的科學性、嚴謹性仍有待提高，經常會忽略很多實驗過程中的細節，而“探究影響酶活性的條件”需要運用多種科學探究原則，且實驗過程相對復雜，這就需要教師在實驗設計過程中啟發學生。在本節課中，教師通過“酶與底物是分別保溫并置于相應pH值條件下，還是混合后再保溫并置于相應pH值條件下”“能否用過氧化氫酶探究溫度對酶活性的影響、用淀粉酶探究pH值對酶活性的影響”等問題引導學生進行深入思考，逐步培養學生科學嚴謹的思維方式。

最終在教師的引導下，學生確定了實驗步驟（表 1、表 2）。

表1 溫度對α-淀粉酶活性的影響實驗步驟

表2 pH值對過氧化氫酶活性的影響實驗步驟

2.3 實驗方案實施，觀察記錄數據 學生分成2個大組，一組探究溫度對淀粉酶活性的影響，另一組探究pH值對過氧化氫酶活性的影響。由學生自己設計表格記錄數據，并根據數據繪制相關曲線圖。本實驗中學生得到表3和表4所示數據。

表3 不同溫度下剩余淀粉含量

表4 不同pH值條件下產生的O2含量（單位：mL）

2.4 實驗數據處理，構建數學模型 教師帶領學生分析：數據并不直觀，為了使數據直觀應該怎么辦？學生很容易能想到將數據轉換成曲線的方式，根據表3學生可得圖2a中的曲線，教師引導“測得的吸光值指示的是各溫度下藍色溶液的濃度，該藍色溶液是什么？是剩余淀粉與碘產生的藍色溶液，還是消耗了的淀粉與碘產生的藍色溶液？”學生很快能明白被淀粉酶水解消耗了的淀粉是無法與碘產生藍色的，故吸光值指示的是各溫度下剩余淀粉的含量。教師在此基礎上繼續引導，“酶的活性是由剩余淀粉含量還是消耗淀粉含量反映的？即是剩余淀粉含量越多表明酶的活性越高，還是消耗淀粉含量越多表明酶的活性越高？”學生經過分析可得知酶的活性是由淀粉的消耗量反映的，故需要用總淀粉量的吸光值減去剩余淀粉的吸光值，得出消耗淀粉的吸光值，消耗淀粉的吸光值越大則酶的活性越高，得出圖2b。該轉換過程考查了學生對知識的理解程度，使學生更加深刻地體會到知識需要在理解的基礎上靈活應用而不是死記硬背。同時，教師指出酶活性的測量并不是簡單的A值相減，需要用標準溶液確定底物消耗量或者生成物的多少，從而計算出酶活性。

為了讓學生進一步理解曲線的含義，教師在學生實驗時，將事先準備好的0℃和100℃保溫后的酶，在最適溫度下保溫10 min后加入相應溫度的淀粉溶液保溫5 min，然后進行演示實驗：加入1 μL碘液，發現0℃保溫的淀粉酶幾乎沒有顏色，而經100℃保溫的淀粉酶仍然有很深的藍色。引導學生思考：出現此現象說明什么，為什么？學生討論后得出，0℃時，酶的活性受抑制，當重新處于最適溫度時，酶的活性可以恢復；當酶在100℃時，酶的空間結構破壞從而失去活性，重新處于最適溫度時酶的活性無法恢復。

圖2 溫度和pH值對酶活性的影響

教師將事先準備好的pH=2和pH=12條件下的肝臟研磨液，加入適量的NaOH和HCl溶液使其pH值調節到7，并將針頭膠塞組合塞入有過氧化氫溶液的試管中（圖1），同時按下針筒，發現二者幾乎都沒有產生氣泡。引導學生思考：將pH=2和pH=12條件下的過氧化氫酶調節到pH=7，為什么幾乎不產生氣泡？學生經過討論后得出，在過酸、過堿的條件下，都會使酶的空間結構破壞而永久失去活性。

在此基礎上，教師進一步引導，高溫、低溫、過酸和過堿對酶活性的影響本質相同嗎？學生發現，高溫、低溫、過酸和過堿對酶活性的影響是不同的，過酸、過堿及高溫使酶的空間結構破壞而永久失活；低溫抑制酶的活性，但在適宜溫度下活性可以恢復。

3 總結與反思

“影響酶活性的條件”是“酶的特性”一節中的重要內容。本節課利用科學探究進行教學，充分調動學生的積極性，鍛煉學生知識遷移的能力，為學生創設自主設計實驗、探究影響酶活性的條件，有利于學生理性思維的提高。

1）以實驗探究為手段，學生在問題的引導下，通過小組合作，主動參與溫度和pH值對酶活性影響的實驗設計及實施過程，不僅提高了學生的科學思維能力和動手能力，同時培養了學生從事實出發，在實驗數據的基礎上作出合理的、科學的解釋，有利于學生證據意識的形成。

2）引入生物學實驗室常用的科學儀器——分光光度計，不但有利于學生了解分光光度計的相關原理及應用，同時使本次實驗由定性實驗轉向定量實驗，有利于學生體驗真實的科學研究過程，培養其科學、嚴謹的治學態度。

3）學生通過獲得的真實數據生成曲線，提高了成就感，變得更加主動，并能分析相關曲線，在獲得生物學知識和實驗技能的同時，提高了觀察、實踐、探究、實驗數據處理和分析能力。

4）本節課作為實驗探究課，具有較強的可重復性及可操作性。

本節課仍然有許多不足之處，例如在數據處理方面，不同溫度和不同pH值的數據中每個溫度點和pH值都有3個平行樣，可計算標準差以評估數據間的離散程度；教師解釋“0℃酶活性被抑制”這一知識點時進行了演示實驗，學生能直觀觀察到，但是如果時間充裕，可以讓學生自己動手探究，體驗科學探究的魅力，讓知識從抽象到具體、從表面到深層，同時有助于發展學生獨立思考、合作探究的能力。