基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的“探究影響酶活性的條件”實驗教學(xué)設(shè)計

朱 昊

(河北省秦皇島市山海關(guān)第一中學(xué) 秦皇島 066299)

1 教材分析及設(shè)計思路

“探究影響酶活性的條件”是人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細胞》第5章第1節(jié)中的內(nèi)容。在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了酶的相關(guān)知識和“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，這為本次實驗奠定了基礎(chǔ)。同時本次探究實驗，有助于學(xué)生理解光合作用和細胞呼吸。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對本部分的內(nèi)容要求是： 說明酶活性受到環(huán)境因素(如pH和溫度等)的影響。

該探究實驗包括兩個子課題——探究pH和溫度對酶活性的影響，課容量較大，對學(xué)生的實驗操作水平要求較高，而且教材沒有提供具體的實驗方案。為此，需要優(yōu)化實驗條件及教學(xué)組織，保證在一節(jié)課的時間內(nèi)完成影響酶活性的條件的探究。本節(jié)課依據(jù)科學(xué)探究實驗的一般流程展開，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 學(xué)會在真實情境下做出假設(shè)、設(shè)計實驗、分組實施及結(jié)果分析等步驟，掌握科學(xué)探究的思路和方法，發(fā)展科學(xué)思維。

(2) 通過對實驗方案的評價、修改和完善，學(xué)會推理、歸納、質(zhì)疑、批判等科學(xué)思維方法。

(3) 通過實驗探究，形成“酶活性受到環(huán)境因素(如pH和溫度等)的影響”這個科學(xué)概念。

3 實驗裝置設(shè)計及實驗方法優(yōu)化

(1) “探究pH對H2O2酶活性的影響”實驗裝置： 由兩個20 mL注射器、一段輸液管以及一個調(diào)節(jié)旋鈕組成(圖1)，用蒸餾水配制一定濃度的酵母菌溶液(安琪干酵母粉)作為過氧化氫酶的來源。該實驗裝置的制作更簡單，材料易獲得，不僅可以定量控制酶和底物的用量，使反應(yīng)發(fā)生和定量測定在同一個注射器中進行，而且小組內(nèi)的幾名學(xué)生同時操作，可以使反應(yīng)同時進行，操作更簡便，實驗數(shù)據(jù)易獲得。

圖1 “探究pH對H2O2酶活性的影響”的實驗裝置

(2) “探究溫度對淀粉酶活性的影響”實驗方法的優(yōu)化： ①選擇淀粉和α-淀粉酶為實驗材料，碘液為檢測試劑，α-淀粉酶溶液的濃度調(diào)整為0.25%；②保溫時間至少延長至8 min；③高溫組水浴溫度調(diào)整為85℃；④采用白色點滴板觀察現(xiàn)象。

4 教學(xué)過程

4.1 教學(xué)前的準(zhǔn)備 教師提前準(zhǔn)備各種試劑及器材并布置作業(yè)，請學(xué)生參照教材，設(shè)計“探究pH和溫度對酶活性的影響”的實驗方案，教師收集方案并批閱，選出典型的實驗方案。同時教師組織興趣小組按照典型實驗方案進行預(yù)實驗，記錄實驗現(xiàn)象并錄成微視頻。

4.2 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課 教師出示資料： ①當(dāng)人消化不好的時候，醫(yī)生會給開多酶片，多酶片說明書上面寫著“多酶片是由胰酶、胃蛋白酶復(fù)合而成，該藥品在酸性條件下易破壞”；②“雕牌”超效加酶洗衣粉，其包裝袋上印有“成分： 含有生物酶等，用法： 用溫水溶液進行浸泡衣服”。此時教師提出問題：“為什么多酶片在酸性條件下易破壞呢？為什么用溫水浸泡衣服呢？”教師引導(dǎo)學(xué)生做出相應(yīng)的假設(shè)： pH、溫度可能會影響酶的活性。那么假設(shè)是否正確呢？需要我們通過實驗來驗證我們的假設(shè)是否正確。

設(shè)計意圖： 培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實驗設(shè)計的能力，將典型實驗方案錄成微視頻，為學(xué)生評價實驗方案奠定基礎(chǔ)，通過創(chuàng)設(shè)生活化的真實情境，引導(dǎo)學(xué)生做出合理的假設(shè)，從而引出科學(xué)探究的一般流程。

4.3 師生評價、修改、完善“探究pH對酶活性的影響”實驗方案 教師播放課前錄制的微視頻，以此來呈現(xiàn)學(xué)生設(shè)計的典型實驗方案(例如： 取3支潔凈的試管，編號1、 2、 3；各加入1 mL的淀粉酶溶液；分別加入3滴5% HCl、 5% NaOH和蒸餾水搖勻,維持5 min；各注入2 mL可溶性淀粉溶液；各滴入1滴碘液，觀察實驗現(xiàn)象)，讓學(xué)生從可行性和科學(xué)性的角度，評價實驗方案。教師組織學(xué)生討論，然后由學(xué)生代表展示： 該方案加入5% NaOH的試管中沒有出現(xiàn)藍色，與預(yù)期結(jié)果不符，該方案不具有可行性。

此時教師出示文獻資料1： 碘與NaOH反應(yīng)，產(chǎn)生無色的碘化鈉和次碘化鈉，失去作為檢測試劑的功能，影響對實驗結(jié)果的判斷[1]。學(xué)生通過分析資料，得出結(jié)論： 碘與NaOH反應(yīng)是導(dǎo)致實際結(jié)果與預(yù)期不符的原因所在。教師追問：“真的不能用碘液檢測嗎？”教師順勢出示文獻資料2： 將0.01 mol/L HCl溶液、0.01 mol/L NaOH溶液設(shè)置為酸、堿環(huán)境條件，檢測試劑為碘液的反應(yīng)體系為： 3%淀粉溶液與0.1% α-淀粉酶溶液各1 mL，25℃下反應(yīng)5 min[2]。學(xué)生通過分析資料，得出結(jié)論： 只要優(yōu)化酸堿條件，也可以用碘液檢測。基于上述分析，學(xué)生認(rèn)為選擇用過氧化氫酶探究pH對酶活性的影響更合適。

教師再次提出問題： 如何設(shè)計實驗，定量探究pH對H2O2酶活性的影響呢？教師課前指導(dǎo)興趣小組上網(wǎng)查閱文獻，了解該實驗的研究現(xiàn)狀并設(shè)計實驗方案，課上由學(xué)生代表進行匯報，最后師生共同評價和完善實驗方案。

4.4 師生評價、修改、完善“探究溫度對酶活性的影響”實驗方案 教師出示“探究溫度對酶活性的影響”的典型實驗方案(例如： 取3支潔凈的試管，編號1、 2、 3；分別加入2 mL可溶性淀粉溶液；各注入1 mL的淀粉酶溶液，搖勻后，維持5 min；分別放入在60℃水、沸水和冰水中，維持各自的溫度5 min；各滴入1滴碘液，搖勻，觀察實驗現(xiàn)象)，讓學(xué)生從可行性和科學(xué)性的角度，評價實驗方案。

教師組織學(xué)生討論，然后由學(xué)生代表展示： 該方案缺乏科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性。因為加入淀粉酶之后再控制溫度，那么當(dāng)?shù)矸勖敢患尤耄渲械牡矸勖格R上催化淀粉水解，會產(chǎn)生實驗誤差，對實驗結(jié)果造成干擾。此時教師出示文獻資料3： α-淀粉酶失活的溫度為85℃，使α-淀粉酶失活的保溫時間至少控制在6 min[3]。將α-淀粉酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.25%，實驗獲得了良好的重現(xiàn)性[4]。學(xué)生分析資料，然后師生共同完善實驗方案。

設(shè)計意圖： 以文獻資料為支架，按照從呈現(xiàn)典型實驗方案到初次評價實驗方案再到進一步評價完善實驗方案的思路進行教學(xué)，不僅符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，而且讓學(xué)生體會到科學(xué)研究的方法。

4.5 分組實驗，合作探究 教師出示探究活動內(nèi)容及任務(wù)分工，組織全班學(xué)生同時開展兩個探究實驗。

活動一 提供以下實驗材料： 1% H2O2溶液、2%酵母菌溶液、注射器、輸液管、不同的pH溶液，探究pH對H2O2酶活性的影響。(組1—5完成該實驗，組長用手機將實驗結(jié)果拍照上傳到班級微信群，并將本組數(shù)據(jù)填寫到電腦端的Excel表格中。)

活動二 提供以下實驗材料： 溫度計若干支、60℃水浴、0℃冰水混合物、90℃水浴、3%淀粉溶液、0.25%淀粉酶溶液、碘液、探究溫度對淀粉酶活性的影響(組6—10完成該實驗，組長用手機將實驗結(jié)果拍照上傳到班級微信群)。

4.6 結(jié)果分享，分析交流 學(xué)生分析和交流能力是學(xué)科核心素養(yǎng)之科學(xué)探究能力中的重要評價指標(biāo)。

4.6.1 “探究pH對H2O2酶活性的影響”的實驗結(jié)果及分析 學(xué)生利用手機將實驗結(jié)果上傳到班級微信群，然后師生共同點評。組長將實驗數(shù)據(jù)填到Excel表格中，自動生成數(shù)學(xué)曲線圖(圖2)，然后學(xué)生分析曲線圖，歸納得出結(jié)論： 隨著pH的增加，單位時間內(nèi)氣體產(chǎn)生量先增加后減少，在pH 7左右，氣體產(chǎn)生量最大。因此，過酸、過堿會使酶失去活性，酶活性在最適pH的時候最大。

圖2 pH對酵母菌過氧化氫酶活性的影響

4.6.2 “探究溫度對淀粉酶活性的影響”的實驗結(jié)果及分析 教師利用希沃授課助手同屏技術(shù)將實驗結(jié)果(圖3)投在大屏幕上，學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與預(yù)期不符。提出質(zhì)疑：“為什么0℃組沒有出現(xiàn)預(yù)期的藍色，而出現(xiàn)紅褐色？”教師出示文獻資料5： 淀粉酶水解淀粉是一個逐步進行的過程，淀粉水解不同階段的中間產(chǎn)物遇碘有不同的顏色反應(yīng)，最后才形成遇碘不顯色的麥芽糖和葡糖糖，其顏色變化順序依次為紫藍色(淀粉)→紫色→紅褐色→紅棕色→無色(麥芽糖、葡糖糖)[4]。學(xué)生分析資料，得出結(jié)論： 低溫并沒有完全喪失酶的活性，低溫組比60℃組的酶活性低而已，所以沒有被徹底水解變成麥芽糖和葡糖糖，而是形成了中間產(chǎn)物。

圖3 “溫度對淀粉酶活性的影響”的實驗結(jié)果

教師追問：“低溫組如果升高溫度，能否提高酶活性？而高溫組如果降低溫度，酶活性能否恢復(fù)？”此時教師出示興趣小組的實驗結(jié)果(圖略)，學(xué)生分析結(jié)果并得出結(jié)論： 低溫組如果升高溫度，酶活性也隨之提高，而高溫組降低溫度，酶活性不會恢復(fù)。

設(shè)計意圖： 通過兩個探究實驗，讓學(xué)生親歷科學(xué)探究的過程，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會描述觀察到的實驗現(xiàn)象；在探究過程中，學(xué)會與同學(xué)主動合作，并交流結(jié)果；學(xué)會基于事實和證據(jù)，運用歸納和概括等思維方法，進行邏輯推理，闡明“酶活性受到環(huán)境因素(如pH和溫度等)的影響”這一科學(xué)概念，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

4.7 回歸生活，學(xué)以致用 教師出示資料： 多酶片的主要成分是胃蛋白酶、淀粉酶和胰酶，而它們各自的作用方式及環(huán)境各不相同。前兩者是在酸性環(huán)境下活性大，而后者是在中性及偏堿環(huán)境下活性大，所以不能混用。根據(jù)此性質(zhì)，藥廠將這三種藥制成“雙層片”，即先將胰酶包腸溶衣片，再將胃蛋白酶，淀粉酶包在外層。請同學(xué)們利用所學(xué)知識解釋“為什么服用此藥不能嚼碎，而應(yīng)整片吞服？”

5 教學(xué)反思

本節(jié)課是以多酶片、加酶洗衣粉這一真實情境為導(dǎo)向，依據(jù)科學(xué)探究實驗的一般流程展開，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。通過科學(xué)合理分組、同時探究兩個子實驗，在探究過程中，充分利用希沃授課助手中同屏技術(shù)以及Excel軟件的數(shù)據(jù)處理功能，實現(xiàn)了師生之間的有效互動，大大提高了實驗課的教學(xué)效率，從而保證在一節(jié)課的時間內(nèi)完成影響酶活性的條件的探究，使教學(xué)目標(biāo)得到有效落實。