基于定量思維的“酶的特性”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

陳文娟

(山東省青島第十七中學(xué) 山東青島 266031)

一、實(shí)驗(yàn)背景

（一）社會(huì)趨勢

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》將“科學(xué)思維和科學(xué)探究”明確納入生物學(xué)科核心素養(yǎng)的維度。這一要求更加凸顯了生物實(shí)驗(yàn)在生物教學(xué)中的重要地位。帶領(lǐng)學(xué)生開展什么樣的探究實(shí)驗(yàn)，以及在實(shí)驗(yàn)中如何發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是生物教師應(yīng)關(guān)注的問題。

（二）教材實(shí)驗(yàn)不足

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要以定性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏學(xué)生的自主探究實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)。照方抓藥的實(shí)驗(yàn)有禁錮學(xué)生思維的不足。為此，教師要聚焦實(shí)際，開發(fā)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新包括運(yùn)用新技術(shù)、新方法、新材料，嘗試?yán)酶叨丝蒲袃x器與高中課程進(jìn)行融合，將定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為定量實(shí)驗(yàn)。

（三）學(xué)情分析

學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力不足是“中國制造”到“中國智造”轉(zhuǎn)型的阻礙之一。教師要有意識地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新和實(shí)踐，發(fā)展其解決實(shí)際問題的能力。

二、實(shí)驗(yàn)思路與創(chuàng)新

（一）實(shí)驗(yàn)思路

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：探究溫度對α-淀粉酶活性的影響，pH對過氧化氫酶活性的影響。

四個(gè)活動(dòng)：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及評價(jià)、學(xué)科融合運(yùn)用。

核心素養(yǎng)：通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，四個(gè)活動(dòng)，發(fā)展核心素養(yǎng)的四個(gè)維度：生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、社會(huì)責(zé)任。

（二）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

1.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)：師生合作將定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)成定量實(shí)驗(yàn)。

2.現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用：紫外分光光度計(jì)、氧氣傳感器。

3.學(xué)科融合：實(shí)現(xiàn)了化學(xué)和生物的學(xué)科融合。

三、教學(xué)過程

（一）探究實(shí)驗(yàn)1：溫度對α-淀粉酶活性的影響

小組討論有關(guān)自變量、因變量、無關(guān)變量的相關(guān)問題。在小組討論、交流后，學(xué)生一致認(rèn)為自變量是溫度，至少分三組：低溫組、高溫組和適溫組[1]。底物與酶何時(shí)混合？學(xué)生認(rèn)為應(yīng)該在底物與酶達(dá)到同一溫度條件之后再混合，也就是控制變量之后再混合。因變量是酶的活性。如果淀粉酶的活性較高，在一段時(shí)間之后，會(huì)把淀粉水解掉；如果淀粉酶活性低，淀粉仍然有剩余。因此，我們可加碘液來檢測顏色的變化，通過淀粉剩余量的多少來衡量酶活性的高低。

改進(jìn)1：學(xué)生設(shè)置了五個(gè)不同的溫度體系，0℃，30℃，60℃，80℃，100℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能看出不同溫度體系中加碘液后的顏色深淺，并依此粗略判斷酶活性的高低。

改進(jìn)2：教師可利用紫外可見分光光度計(jì)對加碘后的溶液進(jìn)行吸光值的測量，就可以得到具體數(shù)值，并利用數(shù)值描點(diǎn)劃線，就可以繪制出溫度對酶活性的影響曲線，從而將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成定量實(shí)驗(yàn)。

效果：新技術(shù)手段的應(yīng)用可將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成定量實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)就是證據(jù)。回歸科學(xué)發(fā)現(xiàn)的原點(diǎn)，學(xué)生可利用自己實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)生物規(guī)律。這一改進(jìn)效果極大地鼓舞了學(xué)生的熱情，增強(qiáng)了學(xué)生的信心，使他們對改進(jìn)實(shí)驗(yàn)總是躍躍欲試。

（二）探究實(shí)驗(yàn)2：pH對過氧化氫酶活性的影響

自變量為pH，因變量為酶活性。既然pH值是自變量，其應(yīng)該和溫度對酶活性影響的實(shí)驗(yàn)一樣。理論上，我們應(yīng)該將底物和酶液設(shè)置成同一pH值，達(dá)到所控制條件之后，再混合對應(yīng)的底物和酶液，反應(yīng)相同時(shí)間，測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論[2]。

改進(jìn)1：將底物和酶液設(shè)置成同一pH值在實(shí)際操作中難度較大。因此，我們應(yīng)將實(shí)驗(yàn)思路調(diào)整為，將不同pH值的溶液加入到反應(yīng)體系中。我們可先配制不同pH值的溶液，計(jì)算出配制250mlpH=1的溶液，需濃鹽酸2.1ml；配制pH=13的溶液需要?dú)溲趸c1g。經(jīng)量取、定容、稀釋，我們分別配制出pH=1、4、7、10、13的五種溶液以備用。

實(shí)驗(yàn)：第一步：加底物，將20ml3%的過氧化氫溶液注入1～5號250ml的錐形瓶中。

第二步：設(shè)置不同pH的反應(yīng)體系，用量筒分別量取10mlpH為1、4、7、10、13的溶液置于以上五個(gè)瓶中。

改進(jìn)2：第三步：加酶，用移液管分別吸取2ml新鮮的20%的肝臟研磨液，倒入以上不同pH值的錐形瓶中，在加酶液的同時(shí)將氧氣傳感器塞緊瓶口。

第四步：反應(yīng)時(shí)間五分鐘，學(xué)生要記錄不同pH反應(yīng)體系中電腦所顯示的氧氣數(shù)值，并根據(jù)數(shù)值繪制酶活性隨pH值變化的曲線。

效果：應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)測量數(shù)據(jù)，繪制曲線，從定性到定量，有利于發(fā)展學(xué)生利用數(shù)學(xué)建模表達(dá)研究結(jié)果的能力。

四、實(shí)驗(yàn)反思

（一）有利于學(xué)生定量思維的形成

在溫度對α-淀粉酶活性的影響實(shí)驗(yàn)中，我們利用紫外可見分光光度計(jì)對加碘后的溶液進(jìn)行吸光值的測量。在pH對過氧化氫酶活性的影響實(shí)驗(yàn)中，我們將手持技術(shù)中的氧氣傳感器引入到對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測量。這兩個(gè)儀器的使用都將以往無法呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有力地表現(xiàn)了出來。與動(dòng)畫模擬和教學(xué)課件這類信息技術(shù)相比，定量測量的儀器能夠深入生物知識內(nèi)部，測出生物過程中微小的變化，真實(shí)反映事物內(nèi)部的細(xì)微變化。本案例中利用紫外可見分光光度計(jì)和手持技術(shù)獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對結(jié)果實(shí)現(xiàn)具體數(shù)值或曲線圖等直觀形式的表達(dá)，有利于學(xué)生定量思維的形成，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

（二）有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式

高端科研儀器與高中課程的融合為開展實(shí)驗(yàn)探究提供了有利條件，能使傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程定量化、直觀化、精確化，從而能開發(fā)更多學(xué)生感興趣，且貼近社會(huì)熱點(diǎn)的生物實(shí)驗(yàn)，滲透“生物—技術(shù)—社會(huì)”教育，使學(xué)生從“讀實(shí)驗(yàn)”“背實(shí)驗(yàn)”向“做實(shí)驗(yàn)”“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變。