“探究酶的工作特點”實驗的教學設計與實踐

汪岱華 (上海市延安中學 上海 200336)

1 引言

酶的工作特點是高中生命科學教學的重難點之一，其涵蓋的教學內容實驗性強、思維要求高，適宜開展探究性實驗教學。

上海市高中《生命科學》教材在關于酶的教學內容中，安排了“4.1探究酶的高效性”和“4.2探究影響酶活性的因素(選做)”兩個學生實驗。這兩個實驗為培養學生從實驗實踐中學習科學理論、在探究中提高實驗能力提供了很好的契機。然而在教學實施過程中，受多種因素影響，教學效果并不理想，需要改進和優化。

2 教學設計思路

為了在高中階段更好地培養學生的科學思維和探究精神，讓學生由實驗現象的觀察者轉變為實驗活動的設計者，在探究實驗中貫穿定量研究的思維方式。筆者嘗試將教材的理論知識學習和實驗相結合，改用注射器作為實驗裝置，通過氣體產生速率定量地判斷酶的活性變化。重新設計教學過程： 以“生活現象—基礎實驗—理論學習—探究實驗—得出結論—回歸生活”為主線，從基礎實驗到探究實驗，為學生鋪設學習的階梯，在學習中注重與生活的聯系，體會酶作為生物催化劑的重要作用。

3 教學內容和實驗裝置的改進

3.1 探究性實驗內容與材料的拓展 將“實驗4.1探究酶的高效性”改變為“實驗1： 探究酶的特性”，增加了多酶片溶液的試劑，補充了對酶專一性的探究，由實驗1引出酶的特性、概念關鍵詞和命名法則。同時在教學中充分利用多酶片的縱切結構(圖1)和藥品說明書(圖2)，引導學生關注藥物設計和影響酶活性的因素，自然過渡到實驗2。

圖2 多酶片藥品說明書

實驗2建立在選做實驗“實驗4.2探究影響酶活性的因素”基礎上，設計了“探究pH對過氧化氫酶活性的影響”，從實驗效果和實驗材料的熟悉度考慮，仍采用含有過氧化氫酶的豬肝和過氧化氫反應，并對尚未學習過溶液配制方法的高一學生，在課前配置了pH分別為1、 4、 7、 10、 13的溶液，讓學生以小組形式設計并完成實驗，結合坐標系歸納實驗結果，經歷科學實驗探究的完整過程。

3.2 實驗裝置的改進與制作 教材中采用玻璃試管為反應裝置，通過豬肝勻漿和過氧化氫的反應，定性觀察氣泡產生量的多少。筆者通過反復嘗試，設計了能夠將反應結果定量化的自制實驗裝置(圖3)： 利用延展性較強的藍丁膠將20 mL標準醫用注射器的注射口封閉，反向插入針頭，連接處用封口膜包扎固定，在水槽中驗證氣密性，形成一個密封的反應體系。在實驗中可以通過反向針頭，用另一注射器注入液體，將過氧化氫溶液等加入的溶液定量化。在反應時通過計時器記錄反應時間，從注射器刻度變化讀取氣泡產生量，計算得出氧氣產生的平均速度(mL/s)。

圖3 自制實驗裝置圖

4 探究性實驗的實施

本節課在教學時嘗試讓學生的學習形式發生改變，以小組為學習主體完成學習過程。在實驗1中減少了重復操作過程，為實驗2的展開奠定基礎。“實驗2： 探究pH對過氧化氫酶活性的影響”更關注學生探究實驗能力的培養，在重新編制的實驗報告的引導下，以生命科學探究的基本步驟為線索，讓學生以小組為單位提出假設、設計實驗，彼此交流、討論后修改實驗設計，完成個性化的實驗探究。

4.1 實驗1： 探究酶的特性 學生分小組，兩兩配合完成實驗。

4.1.1 實驗操作 一位學生按表1中的順序分別在1～5號注射器內加入2 mL 3% H2O2，而后再依次加入對應的試劑或材料，在推動注射器的同時，另一位學生同步用計時器記錄時間，合作完成對氧氣產生速度的測定。

表1 “實驗1： 探究酶的特性”實驗操作及記錄表

注： 3號注射器建議記錄時間為5～10 s，其余為20～30 s

圖4 “實驗1： 探究酶的特性”短時間內產生氧氣量比較(注射器內溶液詳見表1)

4.1.2 實驗結果 在實驗1中短時間內積累的氣體量可以直觀地顯示出不同反應的速率差異(圖4)。注射器1、 4、 5在30 s內的氧氣產生速度為0 mL/s；注射器2反應速度較慢，約為0.4 mL/s；注射器3在1s內就可以基本完成反應，氧氣產生速度最大，約為240 mL/s。但是，放置一段時間后還可以發現雖然催化劑的催化效率存在差異，但注射器2和注射器3反應體系中產生的氧氣總量相等。

4.1.3 分析討論得出結論 通過學習單提出4個討論題，引導學生注意實驗設計的原則和目的，分析實驗結果得出結論： ①請從實驗設計原則分析實驗組1(注射器1)的作用。②比較2號和3號注射器的反應速率，可得出怎樣的結論？③若要研究溫度對酶的活性的影響，應選取哪些試管？能得出什么結論？④5號注射器中加入了多種酶，它們能否分解H2O2，請分析現象得出結論？

通過分析，引導學生進一步理解對照原則，并建立酶具有高效性和專一性的概念。

4.2 實驗2： 探究pH對過氧化氫酶活性的影響 以小組為學習主體展開探究性實驗，讓學生先提出假設，根據給予的條件，參照表1的模式列出實驗設計(表2)。

表2 探究pH對過氧化氫酶活性的影響實驗步驟和結果記錄

4.2.1 給予的實驗材料、試劑和儀器 3%過氧化氫溶液、新鮮豬肝勻漿液、溶液A(pH 1)、溶液B(pH 4)、溶液C(pH 7)、溶液D(pH 10)、溶液E(pH 13)、自制注射器若干等。

4.2.2 實驗步驟 完成設計后，學生點評分享彼此的實驗設計，在討論分析中發現彼此實驗設計的不足并加以修改，形成科學的實驗設計，而后完成自主設計的實驗。

4.2.3 結果分析 教師電腦上輸入全班的數據統計分析(表3)，由于小組之間存在系統誤差，表現為標準差較大。

表3 “實驗2： 探究pH對過氧化氫酶活性的影響”全班實驗結果匯總

要求學生將實驗測量的數據轉化為曲線，在實驗報告中繪制小組實驗報告的曲線(圖5)，并根據曲線描述溶液pH對過氧化氫酶影響的特點，通過實驗建構概念： pH 7時過氧化氫酶的活性最強，低于此pH時，酶活性隨pH增大而增強，大于pH7，酶活性隨pH增大而下降。

圖5 pH對過氧化氫酶活性的影響

5 效果與反思

5.1 建立課堂與生活的聯系 酶隱藏在許許多多的生活現象背后，酶制品在生活中也被廣泛應用。在課堂引入部分以運動會受傷的生活情境為切入點，關注到“傷口”中的酶，建立對生物催化劑的感性認知，明確學習主題。在教學過程中貫穿生活化的實驗材料“豬肝勻漿”和“多酶片”，結合藥物說明，引導學生思考多酶片的成分與消化道環境之間的關系，分析其背后蘊含的科學原理，體會科學知識的活學活用。作業則要求學生獨立進行科學探究，選擇一種加酶洗衣粉完成“探究洗衣粉中某酶的最適溫度”的實驗探究，學生課后自主選擇實驗材料，建立生命科學知識和生活的聯系，感受酶在生活中的廣泛應用。

通過這些取自“生活”的素材引起學生對生活中生物學的關注，激發學生的學習興趣和探究熱情，讓學生能夠透過生活中的現象，通過生命科學實驗研究認識科學本質。

5.2 分析實驗方案學習實驗設計 讓學生進行實驗設計的基礎是切實掌握實驗設計的原則，而對實驗設計原則的學習可以充分借助教材中經典成熟的實驗方案，讓學生在分析實驗方案的基礎上體會實驗設計原則的應用。

本次探究性實驗教學以“實驗1： 探究酶的特性”為基礎，結合自制實驗報告中的分析和討論部分，讓學生復習鞏固實驗設計的原則和方法。例如，討論1號注射器在實驗中的作用，學生大部分可以答出蒸餾水作為空白對照的作用，但除此以外，加入相同體積的溶液也起到了控制變量的目的。

由于教學的時間限制，每組學生并不能依據平行重復原則完成3次以上的實驗重復，此時可以從全班的分組來實現平行重復的原則。但由于操作者的不同會存在一定的系統誤差，可能導致結果差異較大，因此在科學實驗探究中應盡量保證操作人員和過程的一致性。

5.3 在錯誤中鍛煉科學思維 科學思維的培養和科學探究的能力并非一蹴而就，讓學生獨立完成探究性課題的前提是模仿，讓學生能夠模仿經典實驗展開探究實驗，而后再漸漸轉化為獨立設計研究課題。

探究性實驗“實驗2： 探究pH對過氧化氫酶活性的影響”是對前一個實驗的拓展和挖掘，讓學生通過小組討論做出假設并設計實驗。在實驗設計部分學生往往會對添加試劑的順序存在爭議，大部分學生會照搬實驗1的試劑添加順序，設計依次加入過氧化氫溶液、豬肝勻漿和不同pH溶液的錯誤方案。但在討論中也有部分學生會發現應該先改變酶的活性，設計出先將豬肝勻漿和不同pH溶液混合，再加入過氧化氫溶液。在教學中讓學生充分發表自己的設計意圖，并預測實驗結果，在交流中迸發出思維的火花，共同得出正確的實驗設計。

從認識錯誤到改正錯誤，學生在交流討論中彼此學習，完善實驗設計，基于相同的實驗材料和設計原理完成個性化的實驗探究，在提高學生的生命科學實驗能力和探究能力的同時，鍛煉科學思維，養成嚴謹的科學探究精神。