“探究pH對(duì)酶活性的影響”的教學(xué)策劃

教材設(shè)置了探究實(shí)驗(yàn)探索酶的專一性和高效性，但對(duì)其需要適宜的條件只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的講述。在教學(xué)實(shí)踐中，教師大膽拓展教材內(nèi)容：在學(xué)生完成教材非完全探究實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有意識(shí)地創(chuàng)設(shè)新的探究情境，誘導(dǎo)學(xué)生提出探究課題——探究pH對(duì)酶活性的影響。將教學(xué)活動(dòng)組織成在教師引導(dǎo)下師生共同參與的探究活動(dòng)，使學(xué)生通過(guò)參與高中生物學(xué)習(xí)中第一次完整的探究性實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，掌握科學(xué)探究的基本方法，培養(yǎng)和發(fā)展科學(xué)探究的基本能力和獲取新知識(shí)的能力，最終達(dá)到知識(shí)、能力、情感態(tài)度與價(jià)值觀等三個(gè)方面的教學(xué)目標(biāo)。

1 創(chuàng)設(shè)探究情境，挖掘探究課題

科學(xué)探究是從問(wèn)題開始的，而問(wèn)題產(chǎn)生于懷疑。這是探究性學(xué)習(xí)的前提，是產(chǎn)生探究的內(nèi)驅(qū)力。學(xué)生探究的問(wèn)題必須符合自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知水平，最好是從生活中發(fā)現(xiàn)的。

因此，在完成酶的概念以及酶具有高效性和專一性的特點(diǎn)的教學(xué)后，教師提出問(wèn)題：

①為什么人感冒發(fā)燒時(shí)，會(huì)沒(méi)有食欲呢?②胃中的胃蛋白酶隨著食物進(jìn)入到小腸能否繼續(xù)分解蛋白質(zhì)?為什么?

學(xué)生圍繞這些問(wèn)題，展開討論，結(jié)合剛學(xué)習(xí)的酶的有關(guān)知識(shí)以及化學(xué)知識(shí)，提出許多假設(shè)，通過(guò)討論交流，達(dá)成共識(shí)：溫度、pH是影響酶活性的重要因素。

教師接著提出：溫度(或pH)對(duì)酶活性有什么樣的影響?在什么溫度(或pH)時(shí)，酶活性最高?這時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性被調(diào)動(dòng)起來(lái)，產(chǎn)生了探究的欲望。學(xué)生都躍躍欲試，準(zhǔn)備馬上動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。

教師因勢(shì)利導(dǎo)布置探究課題：由于學(xué)生是第一次進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，先統(tǒng)一選取難易適中的課題“探究pH對(duì)酶活性的影響”，以后再繼續(xù)探究“溫度或其他因素對(duì)酶活性的影響”。

然后，教師要求每位學(xué)生根據(jù)探究課題寫出自己的探究方案。學(xué)生這才知道，今天的課題與以往不同，不再是依據(jù)教材或教師提供的實(shí)驗(yàn)方案去做，而是要自己設(shè)計(jì)方案。學(xué)生們面面相覷，露出畏難的表情，剛才的熱情一下子冷了下來(lái)。

此時(shí)，教師一方面激勵(lì)他們，另一方面，對(duì)開展探究性實(shí)驗(yàn)的一般方法和程序進(jìn)行講解，主要是實(shí)驗(yàn)原理的確立、實(shí)驗(yàn)材料的選取原則等基本知識(shí)，為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，也增強(qiáng)了學(xué)生進(jìn)行探究的信心。

2 明確探究要求，自主設(shè)計(jì)方案

鑒于學(xué)生初次進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的基本格式提出明確要求，即包括：

①實(shí)驗(yàn)原理；

②實(shí)驗(yàn)儀器、藥品；

③實(shí)驗(yàn)步驟；

④實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察；

⑤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集。

同時(shí)教師提示學(xué)生，可以借鑒已有知識(shí)如“探索淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的作用”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，“生物組織中還原糖、脂肪、蛋白質(zhì)的鑒定”中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察方法等。

明確具體要求后教師提出要求：學(xué)生可以個(gè)人單獨(dú)設(shè)計(jì)，也可以兩人一組合作設(shè)計(jì)；并希望個(gè)人或小組提交的探究實(shí)驗(yàn)方案與眾不同，有創(chuàng)新。

學(xué)生帶著興奮和沖動(dòng)，很快就把探究實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)出來(lái)了。但大多數(shù)學(xué)生受以往學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維慣性的影響，設(shè)計(jì)的方案多數(shù)是模仿教材實(shí)驗(yàn)的方法，最常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)方案有如下幾種。

方案1：以唾液淀粉酶或OL--淀粉酶為實(shí)驗(yàn)材料，選擇pH為2的5％HCl、pH為7的蒸餾水、pH為14的5％NaOH作為實(shí)驗(yàn)的pH研究范圍，用碘液檢驗(yàn)淀粉是否存在，證明酶的活性。以期望得出唾液淀粉酶(或a－淀粉酶)的“最適pH”和唾液淀粉酶(或a－淀粉酶)的活性隨pH的變化而變化的規(guī)律。

方案2：以a－淀粉酶為實(shí)驗(yàn)材料，選擇pH為2的5％HCl、pH為7的蒸餾水、pH為14的5％NaOH作為實(shí)驗(yàn)的pH研究范圍，再用斐林試劑檢驗(yàn)是否有還原糖存在，以證明酶的活性，并得出“一淀粉酶的“最適pH”和a－淀粉酶的活性隨pH的變化而變化的規(guī)律。

方案3：以過(guò)氧化氫酶為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選用新鮮肝臟研磨液為材料，選擇pH為2的5％HCl、pH為7的蒸餾水、pH為14的5％NaOH作為實(shí)驗(yàn)的pH研究范圍。再用點(diǎn)燃的衛(wèi)生香分別放入試管內(nèi)液面上方，觀察衛(wèi)生香的燃燒情況，以此證明酶的活性，并得出過(guò)氧化氫酶的“最適pH”和過(guò)氧化氫酶的活性隨pH的變化而變化的規(guī)律。

這些實(shí)驗(yàn)方案的不同之處主要是選用的實(shí)驗(yàn)材料有差異，或是檢驗(yàn)的方法有差異而已，但都存在著許多問(wèn)題，甚至有很嚴(yán)重的科學(xué)性錯(cuò)誤。教師此時(shí)并沒(méi)有直接指出這些問(wèn)題和錯(cuò)誤，而是首先指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行自我驗(yàn)證。

3 實(shí)施設(shè)計(jì)方案，自我驗(yàn)證質(zhì)疑

采用“方案2”和“方案3”的學(xué)生很快就根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了結(jié)論：唾液淀粉酶和過(guò)氧化氫酶的“最適pH”為7。當(dāng)pH<2或pH>14時(shí)，唾液淀粉酶和過(guò)氧化氫酶將失去活性。但該結(jié)論是否準(zhǔn)確、嚴(yán)密，學(xué)生就沒(méi)有考慮了。教師就提出問(wèn)題請(qǐng)學(xué)生思考：pH<2或pH>14時(shí)，酶失去活性，只有pH為7時(shí)，酶有活性，反應(yīng)能夠發(fā)生，這如何說(shuō)明酶的“最適pH”值為7而不是6或者是其他值呢?學(xué)生一時(shí)回答不出來(lái)。教師緊接著引導(dǎo)學(xué)生從是“最適pH”的概念出發(fā)，思考：應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，才能找到唾液淀粉酶和過(guò)氧化氫酶的“最適pH”?

而采用“方案1”的學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了自己設(shè)計(jì)的方案中存在的一些問(wèn)題：用5％NaOH處理淀粉酶溶液后，再用碘液檢驗(yàn)不變藍(lán)色，從而無(wú)法作出酶的活性隨pH的變化而變化的曲線，這與預(yù)測(cè)不相符。但為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況?學(xué)生無(wú)法解釋。

4 交流完善方案，再次探究驗(yàn)證

在學(xué)生完成了第一輪實(shí)驗(yàn)而產(chǎn)生諸多疑問(wèn)的基礎(chǔ)上，教師組織全班學(xué)生進(jìn)行交流、討論和評(píng)析。圍繞交流實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路、實(shí)驗(yàn)操作的方法以及實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題等幾個(gè)方面，教師引導(dǎo)其他學(xué)生對(duì)這些方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。對(duì)存在的問(wèn)題，力圖通過(guò)師生之間、生生之間的分析評(píng)價(jià)，形成思維的碰撞，使學(xué)生能夠產(chǎn)生解決問(wèn)題的新思路，迸發(fā)出創(chuàng)新思維的火花。

4.1

完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

選取pH分別為2、7、14的溶液研究pH對(duì)酶活性的影響，能否得出酶的“最適pH”值?能否據(jù)此正確作出酶的活性隨pH的變化而變化的曲線?

這是一個(gè)普遍存在而又不被學(xué)生認(rèn)識(shí)的問(wèn)題，它反映出學(xué)生在科學(xué)方法和科學(xué)態(tài)度上存在著偏差。針對(duì)這種情況，教師首先要求學(xué)生根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制坐標(biāo)曲線圖。由于學(xué)生只取得了3個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出的坐標(biāo)曲線圖是2條直線，這時(shí)學(xué)生對(duì)自己原先得出的結(jié)論產(chǎn)生了懷疑。學(xué)生通過(guò)認(rèn)真分析得出：實(shí)驗(yàn)只設(shè)計(jì)了三個(gè)pH值點(diǎn)，其中酶只在一個(gè)pH是有活性的，這無(wú)法說(shuō)明該pH是唾液淀粉酶的“最適pH”，更無(wú)法作出唾液淀粉酶的活性隨pH變化的曲線。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步去尋找解決問(wèn)題的思路，通過(guò)集體智慧交鋒，形成共同認(rèn)識(shí)：應(yīng)該設(shè)計(jì)多組不同pH梯度的環(huán)境作為相互對(duì)照，觀察相關(guān)酶在上述pH環(huán)境中的活性變化；然后在酶活性最強(qiáng)的pH與相鄰的pH之間，再設(shè)計(jì)若干組梯度不同的“pH環(huán)境”，觀察酶活性的變化，從而找到酶的“最適pH”，并作出酶的活性隨pH變化而變化的坐標(biāo)曲線圖。

設(shè)計(jì)的思路和原理找到了，但新的問(wèn)題又出現(xiàn)了：pH的梯度如何設(shè)計(jì)?在討論中，有的學(xué)生認(rèn)為：當(dāng)DH在2～14之間，以1為差值設(shè)計(jì)梯度，可以找出酶的“最適pH”。而有學(xué)生則認(rèn)為這種方法太繁瑣，提出在pH2～14之間，以2為差值設(shè)計(jì)梯度，找到活性最強(qiáng)的、2個(gè)或3個(gè)pH值，在這兩個(gè)或三個(gè)pH，再以1為差值設(shè)計(jì)梯度，就可以找到酶的“最適pH”了。教師肯定兩種方法都是可行的，相對(duì)而言，后一種方法略微簡(jiǎn)便一些。

4.2 控制相關(guān)實(shí)驗(yàn)變量

此實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵之一是要設(shè)計(jì)不同pH梯度的溶液環(huán)境，用5％HC1和5％NaOH是很難實(shí)現(xiàn)的，如何創(chuàng)設(shè)不同的pH環(huán)境呢?一位化學(xué)知識(shí)好的學(xué)生馬上回答：配制不同酶的“最適pH”的緩沖液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生應(yīng)用相關(guān)的化學(xué)知識(shí)，多方面查閱相關(guān)資料，并在實(shí)驗(yàn)中不斷改進(jìn)。比如，有學(xué)生選取了pH為9的NH4—NHsCl緩沖液，用斐林試劑檢驗(yàn)是否有還原糖存在，卻得不到預(yù)期的現(xiàn)象。學(xué)生經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：斐林試劑中的Cu2+首先與“緩沖液”發(fā)生了反應(yīng)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。又經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，將pH為9的緩沖液改為NaHCO—Na2C03，終于取得成功。

另外，教師引導(dǎo)學(xué)生控制好無(wú)關(guān)變量，即對(duì)照實(shí)驗(yàn)中每組實(shí)驗(yàn)只有pH值不同，其他條件如溫度：酶濃度、底物濃度、反應(yīng)時(shí)間等應(yīng)相同且適宜。

4.3探索結(jié)果檢測(cè)方法

(1)以過(guò)氧化氫酶為實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，如何測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果?

采用“方案3”的在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在觀察衛(wèi)生香燃燒情況獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明酶的活性時(shí)，相鄰梯度pH間的現(xiàn)象區(qū)別不明顯，特別是酶的活性較弱時(shí)，效果更差。

如何解決這個(gè)問(wèn)題呢?有一組學(xué)生經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試，成功地研究出了有獨(dú)創(chuàng)性的方法：將過(guò)氧化氫、新鮮肝臟研磨液與不同pH的緩沖液等試劑分別裝入不同的試管后，迅速在試管口套上一個(gè)薄的小氣球。然后觀察氣體進(jìn)入氣球的時(shí)間以及單位時(shí)間內(nèi)氣球的充盈程度，以此來(lái)判斷酶的活性。實(shí)踐證明效果很好。

(2)為何用5％NaOH處理淀粉酶溶液后，再用碘液檢驗(yàn)溶液不變藍(lán)色?

這是采用方案1的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題。開始，學(xué)生在討論時(shí)沒(méi)有深入地分析，粗淺地認(rèn)為是操作失誤造成的。教師就請(qǐng)學(xué)生嚴(yán)格按實(shí)驗(yàn)程序再重新做一次，結(jié)果依然是“溶液不變藍(lán)色”。學(xué)生十分困惑，教師根據(jù)學(xué)生思維受限、學(xué)科間綜合知識(shí)缺乏的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)分析出現(xiàn)問(wèn)題的原因。經(jīng)過(guò)分析和討論，發(fā)現(xiàn)在NaOH溶液中，碘會(huì)立即與NaOH發(fā)生反應(yīng)生成Na1和NaIO。因此，溶液中沒(méi)有單質(zhì)的碘存在，淀粉不會(huì)變成藍(lán)色。

找到失敗原因后，教師緊接著提出新的問(wèn)題：在不改變實(shí)驗(yàn)材料的前提下，如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，解決上述問(wèn)題?

學(xué)生認(rèn)真思考后，有人提出：改用斐林試劑，可以檢驗(yàn)淀粉水解后是否有還原的葡萄糖存在，即將原方案中檢驗(yàn)反應(yīng)物是否存在的方法改變?yōu)闄z驗(yàn)是否有特定生成物出現(xiàn)。受此思路啟發(fā)，又有學(xué)生提出更新穎而簡(jiǎn)單的方法：可采用糖尿病試紙檢查溶液中是否有葡萄糖存在。但由于實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有糖尿病試紙，因此，教師請(qǐng)學(xué)生利用課余時(shí)間完成該方法的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)嘗試，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)糖尿病試紙顏色深淺的變化，測(cè)定溶液中含糖量的多少，從而證明酶活性的強(qiáng)弱。因此，該方法在定性實(shí)驗(yàn)中是可行的。

接著，教師請(qǐng)學(xué)生修改和補(bǔ)充完善自己或小組的探究方案，并再次實(shí)驗(yàn)。在驗(yàn)證探究方案正確性的同時(shí)，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

完成探究實(shí)驗(yàn)后，教師要求學(xué)生思考并總結(jié)：

①生物探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般方法和程序；

②對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理以及注意事項(xiàng)；

③實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的收集與處理方法。

通過(guò)總結(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生反思整個(gè)探索過(guò)程，將具體探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程和方法歸納升華為探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律。