在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力初探
——以“溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響”為例

閔凡芹

(江蘇省揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué) 揚(yáng)州 225002)

溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響是蘇教版高中生物學(xué)教材必修1第4章課題研究“影響酶促反應(yīng)速率的因素”中的部分內(nèi)容。教材未對(duì)溫度如何影響酶促反應(yīng)這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，給教師和學(xué)生研究和探索留下空間。筆者以此為契機(jī)，探索在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的方法。

1 深度解析實(shí)驗(yàn)原理，啟迪科學(xué)思維

溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面： 一方面，酶促反應(yīng)同其他大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)一樣，溫度高低會(huì)影響分子運(yùn)動(dòng)，改變反應(yīng)物的能量狀態(tài)，從而影響酶促反應(yīng)速率，表現(xiàn)為在較低的溫度范圍內(nèi)，酶促反應(yīng)的速率隨著溫度的升高而加快；另一方面，過(guò)高的溫度促使酶蛋白的構(gòu)象改變，使原來(lái)與底物契合的活性中心消失，從而使酶變性失活。表現(xiàn)為超過(guò)一定的溫度后，反應(yīng)速率反而下降。

探究溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響可以以淀粉酶水解淀粉這一反應(yīng)為研究對(duì)象： 首先，這一反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)試劑淀粉溶液、淀粉酶、鑒定用的碘液都較容易獲取；其次，隨著淀粉酶水解淀粉過(guò)程的進(jìn)行，會(huì)生成不同分子量的糊精作為產(chǎn)物，這些產(chǎn)物與碘反應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色變化，從而可以判斷淀粉水解程度，如圖1所示，間接反映酶促反應(yīng)速率。在實(shí)際教學(xué)中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)材料的選擇，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出自己的見(jiàn)解，以此進(jìn)行發(fā)散思維的訓(xùn)練，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理的剖析，可以使學(xué)生深入理解課程知識(shí)，啟迪學(xué)生的科學(xué)思維。

圖1 淀粉酶水解淀粉的系列產(chǎn)物

2 繪制思維導(dǎo)圖，引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)探究

2.1 設(shè)計(jì)“溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率影響”的實(shí)驗(yàn)方案 實(shí)驗(yàn)已確定選用淀粉溶液、工業(yè)淀粉酶、碘液作為實(shí)驗(yàn)材料，教師進(jìn)一步提問(wèn)，使學(xué)生思考： 如何在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中控制單一變量？自變量和因變量分別是什么？如何設(shè)置溫度梯度，怎樣實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定值？實(shí)驗(yàn)中還需要哪些儀器和試劑？如何確定實(shí)驗(yàn)流程？引導(dǎo)學(xué)生將這些思考的過(guò)程繪制成思維導(dǎo)圖，圖2可作為參考。

圖2 溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率影響的實(shí)驗(yàn)思維導(dǎo)圖

2.2 確定具體實(shí)驗(yàn)流程 教師可以展示圖2思維導(dǎo)圖中實(shí)驗(yàn)流程的步驟提示，引導(dǎo)學(xué)生在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟，并繪制成直觀、條理的表格，優(yōu)化學(xué)生思維、提升其分析和歸納能力。筆者在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上確定的實(shí)驗(yàn)步驟如表1所示，另采用A4文件保護(hù)膜自制點(diǎn)滴板簡(jiǎn)化鑒定的過(guò)程，可以使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀。

表1 “溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響”實(shí)驗(yàn)步驟

2.3 延伸探究“時(shí)間對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響” 酶促反應(yīng)需要一定的時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)淀粉水解越徹底，那么怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一結(jié)論呢？教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，并鼓勵(lì)學(xué)生自己確定具體實(shí)驗(yàn)流程。表2是筆者確定的實(shí)驗(yàn)步驟。

表2 “時(shí)間對(duì)酶促反應(yīng)的影響”實(shí)驗(yàn)步驟

3 構(gòu)建“數(shù)學(xué)模型”，提升探究能力

高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出，要讓學(xué)生了解數(shù)學(xué)模型在科學(xué)研究中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和能力。通過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生獲得了一些圖片性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，教師可以稍加引導(dǎo)，讓學(xué)生利用Excel軟件，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成簡(jiǎn)單的曲線圖，這不僅可以加深學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)“溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響”這一教學(xué)內(nèi)容的直觀理解，還可以讓他們真實(shí)體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，提高對(duì)科學(xué)研究的興趣，對(duì)于學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)也有著重要的意義。圖3是筆者進(jìn)行溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率影響得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將碘液鑒定后的顏色變化程度用0～10數(shù)字進(jìn)行表示(數(shù)字越大說(shuō)明與淀粉和碘液反應(yīng)的顏色相比變化程度越大)，就可以繪制成如圖4“溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響”曲線圖。

圖3 不同溫度淀粉的水解程度

圖4 溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響

學(xué)生在平時(shí)的考試和練習(xí)中，應(yīng)該看到過(guò)很多次時(shí)間對(duì)酶促反應(yīng)速率影響的曲線圖，在本實(shí)驗(yàn)中教師可以引導(dǎo)學(xué)生按上述“溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率影響”的曲線模型的制作方法將不同反應(yīng)時(shí)間下淀粉酶水解淀粉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型(圖6)。

圖5 不同反應(yīng)時(shí)間下淀粉水解程度

圖6 時(shí)間對(duì)酶促反應(yīng)速率影響

4 巧妙提問(wèn)，延伸思考

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生初步掌握了數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建方法，也對(duì)科學(xué)研究充滿了探索的欲望和興趣。教師可以趁熱打鐵，不囿于教材或文獻(xiàn)提供的材料和實(shí)驗(yàn)方案，給予學(xué)生自由發(fā)揮的空間，并在充分討論和查閱資料中獲得知識(shí)的升華和能力的提升。例如，有學(xué)生會(huì)提出： 用過(guò)氧化氫在酶的作用下分解產(chǎn)生氧氣的過(guò)程來(lái)探索溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可行嗎？再比如，可不可以用斐林試劑鑒定還原糖的方法來(lái)測(cè)定淀粉的水解程度？影響酶促反應(yīng)速率的因素除了溫度還有很多，如pH、抑制劑、激活劑等，那么如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這些因素對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響？如何構(gòu)建模型來(lái)對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的描述？教師可以通過(guò)巧妙的問(wèn)題設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)一步延伸思考，這對(duì)科學(xué)探究能力的提升和科學(xué)思維的培養(yǎng)會(huì)有重要的幫助。