例談高中生物學實驗的定量改進

劉文奇

摘要 借助選修課本中相關實驗的原理和方法，將“檢測生物組織中的蛋白質”和“探究溫度對酶活性的影響”兩個定性實驗改進為定量實驗，提高了學生的科學探究能力，有效發展了學生的科學思維，落實了學科核心素養。

關鍵詞? 定量實驗蛋白質檢測酶活性核心素養

中圖分類號 G633.91???????????? 文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2023）03-0068-03

實驗教學是培養學生科學探究能力的重要抓手，也是落實教學過程重實踐的基本途徑和方法之一?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版2022年修訂）》給出的教學建議中明確指出：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，教師應給學生提供機會學習生物學研究中的測量方法，實事求是地記錄、整理和分析實驗數據、定量表述實驗結果等。將教材中的定性實驗改進為定量實驗，可增強知識內容學習的可信度，促進學生對事物本質的理解，并強化學生的實證意識，有助于科學探究素養的達成。下面以人教版《必修1·分子與細胞》中的兩個具體實驗為例，淺談定量實驗的案例改進。

1 檢測生物組織中的蛋白質

1.1實驗分析

教材中介紹了蛋白質檢測的基本原理、所用試劑和實驗操作，該實驗操作簡單、成功率高且現象明顯。但是這種僅限于試劑配制和結果觀察的定性實驗，既不能很好地鍛煉學生的實驗操作能力，又無法有效培養學生的科學探究能力。通過查閱文獻發現，定量檢測蛋白質含量的方法通常為紫外分光光度法和考馬斯亮藍法。這兩種方法雖能進行定量檢測，但均需借助分光光度計檢測吸光度值并對結果進行換算，操作復雜。因此，下文借用選修課本中“亞硝酸鹽含量的測定”的實驗原理和方法對“檢測生物組織中的蛋白質”實驗進行定量改進。

1.2教學案例改進

改進后的實驗需要先確定已知濃度的標準蛋白質溶液的顯色情況，接著用待測蛋白質樣液與標準蛋白質溶液進行比色，通過顯色的相近程度的來估測出待測樣液的濃度。具體實驗教學過程如下。

1.2.1創設情境，激發探究意識

教師展示資料：蛋白質是人體生命活動的主要承擔者和體現者，是維持人體機能的重要物質基礎，人體每天需要從外界攝入一定量的蛋白質，而日常生活中各種牛乳飲品都含有豐富的蛋白質，蛋白質含量是衡量牛乳最重要的品質指標之一，國家《生乳》標準規定生鮮乳蛋白質含量應在2.8 g/100 g 以上。教師提出問題：市場上的牛乳飲品中蛋白質含量達到這種數值了嗎？

1.2.2實驗原理

蛋白質含有兩個以上的肽鍵，在堿性溶液中肽鍵與二價銅離子結合，生成紫紅色絡合物的顯色反應，其顏色的深淺與蛋白質的含量成正比，而與蛋白質的相對分子質量和氨基酸的組成無關。

1.2.3實驗材料和器具

牛的血清蛋白、待測的伊利純牛奶（蛋白質含量為3.0 g/100 mL）、雙縮脲試劑、電子天平、燒杯、量筒、10 mL 的比色管、吸量管等。

1.2.4實驗步驟

①制作不同濃度的蛋白質標準溶液：用實驗材料和器具準確配置1.0 g/mL的標準蛋白質溶液，選取11支比色管，分別加入0，0.01，0.02，0.03，0.04，……，0.1 mL 的1.0 g/mL 的標準蛋白質溶液，接著向比色管中加入3 mL 質量濃度為0.1 g/ mL 的 NaOH 溶液并用蒸餾水定容到10 mL，混勻待用。

②制作待測的牛奶溶液：準確稱取1 mL 待測牛奶加入比色管，接著向比色管中加入3 mL 質量濃度為0.1 g/ mL 的 NaOH 溶液并用蒸餾水定容到10 mL，混勻待用。

③比色：分別向蛋白質的標準溶液和待測的牛奶溶液中加入5滴質量濃度為0.01 g/mL 的 CuSO4溶液，振蕩搖勻。將待測牛奶溶液與標準蛋白質溶液進行顯色比較，再根據顯色的相近程度和已知蛋白質的標準溶液濃度，換算出待測牛奶的溶液的濃度。

1.3案例反思

該改進實驗雖不能準確測量出蛋白質的具體數值，卻能把教材中的驗證性實驗轉換成可探究的定量實驗，方法操作簡單，對儀器的要求不高。通過該定量實驗，學生的科學探究能力得到提升，同時還能培養嚴謹的科學態度以及正確使用實驗儀器的實踐能力。在進行該實驗時，教師也可引導學生思考為什么要對蛋白質溶液進行稀釋后再進行比色，產生新問題，促進高層次探究思考。

2 探究溫度對酶活性的影響

2.1實驗分析

教材中給出了“用淀粉酶探究溫度對酶活性的影響”的實驗建議，但未給出明確的實驗方法和具體的實驗步驟。通常情況下，教師會設置不同的溫度梯度，待反應結束后向試管中滴加碘液，通過試管顏色的深淺來比較溫度的影響，但實驗效果不明顯。教材在“進一步探究”中建議將該實驗改進為定量實驗，下面借助“纖維素分解菌的篩選”的原理對該實驗進行定量改進，通過測量透明圈的大小來定量說明溫度對酶活性的影響。

2.2教學案例改進

以選修課本實驗“纖維素分解菌的篩選”中透明圈的原理為啟發，用市場上的涼粉代替淀粉溶液，使該酶促反應在固體環境中進行，接著滴加碘液后觀察淀粉被分解后形成的分解圈，通過測量分解圈直徑即可定量計算淀粉酶的活性大小。由于教材中未呈現分解圈的相關內容，需要教師進行相關的簡要說明。具體實驗過程如下。

2.2.1設置探究情境，提出探究問題

教師聯系生活實際，提出問題：為什么我們在發燒時會出現渾身乏力、食欲不振等癥狀？學生交流后，教師指出人體體溫恒定是保證細胞代謝穩定進行的必要條件，溫度過高或者過低都會酶的活性，從而提出探究課題，請學生設計一個探究溫度影響淀粉酶酶活性的定量實驗。

2.2.2實驗原理

α-淀粉酶在不同的溫度下催化活性不同。將一定大小蘸有α-淀粉酶溶液的濾紙圓片放到固體的涼粉上，濾紙圓片上的淀粉酶可催化涼粉水解，待反應完成后加入碘液檢驗涼粉水解情況。由于濾紙圓片周圍的涼粉被水解，因此遇碘液不變藍而形成透明的分解圈，通過測量分解圈直徑的大小可定量反映酶活性。

2.2.3實驗材料和儀器

α-淀粉酶、涼粉、蒸餾水、碘液、濾紙圓片；冰箱（或冰塊）、恒溫水浴箱、培養皿、燒杯、量筒、吸量管、鑷子、毫米刻度尺等。

2.2.4實驗步驟

實驗前準備：教師預先配制好2%α-淀粉酶溶液、涼粉培養基、直徑為1 cm 的濾紙圓片、碘液。

①取12個潔凈的培養皿，分別編號1、1′、2、2′、……、6、6′，向1～6號培養皿中加入一定量的涼粉培養基；再將18個蘸有2%α-淀粉酶溶液的濾紙圓片平均分成六份，分別放入1′～6′的培養皿中待用。

②將1和1′號培養皿放置于0℃的冰箱中，2和2′號至6和6′號培養皿分別放置于20℃、30℃、40℃、50℃和60℃的恒溫水浴箱中，均保溫3分鐘。

③將同溫度下的濾紙圓片均勻放入對應的涼粉培養基中（如，1′號培養皿中的濾紙圓片放入1號培養皿中），各自保溫10分鐘。

④待反應完成后，分別向六個培養皿中加入3滴碘液進行顯色，接著用蒸餾水輕輕洗去碘液。

⑤用毫米刻度尺測量每個分解圈直徑的大小，記錄每個培養皿中三個分解圈的數據，取平均值。根據透明圈的大小可定量說明溫度對酶活性的影響。

2.3案例反思

該案例對實驗進行了定量化改進，可促進學生科學探究能力及思維水平的發展；實驗結果可視，效果明顯，可提升學生的探究興趣；實驗材料來自生活，容易獲得且操作簡單。該實驗還可以進一步探究溫度對酶活性影響的機制，即把反應測量后的1號培養皿和6號培養皿同時放置于適宜溫度的恒溫水浴箱中，來探究低溫抑制酶活性，高溫使酶失活的性質。

生物學是一門以實驗為基礎發展起來的學科，教師在重視實驗教學的同時，還要想方法挖掘實驗素材，盡可能在定性實驗的基礎上改進或拓展為定量實驗，使得學生在量的變化中了解事物的本質，提高學生科學探究能力，培養實事求是的科學態度，發展科學思維，從而真正落實學科核心素養。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：59.

[2]林建春.基于課程標準的高中生物學實驗教學改進——以“檢測生物組織中的蛋白質”為例[J].中學生物學，2021，37（04）：35-37.