中美生物學(xué)教材中淀粉酶作用實(shí)驗(yàn)比較研究

俞婷

1 在教材中的地位

淀粉酶是一種作用于可溶性淀粉、直鏈淀粉的水解酶，可將其水解為麥芽糖等。淀粉酶在動植物和微生物體內(nèi)廣泛存在，認(rèn)識淀粉酶的作用能幫助學(xué)生更好地認(rèn)識酶的作用、本質(zhì)和特性，因此在國內(nèi)外教材中都進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)和安排研究淀粉酶作用的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)類型也包括探究性實(shí)驗(yàn)和調(diào)查實(shí)驗(yàn)等多種。人教版《生物學(xué)》七年級下冊第4單元第2章“人體的營養(yǎng)”第2節(jié)“消化和吸收”一節(jié)中的“探究饅頭在口腔中的變化”實(shí)驗(yàn)和美國生物教材《科學(xué)發(fā)現(xiàn)者·生物生命的動力》第35章“消化系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)”一章中的“淀粉酶對早餐中谷物食品的作用”實(shí)驗(yàn)都研究了淀粉酶在淀粉消化中的作用。通過實(shí)驗(yàn)，教師可以幫助學(xué)生從分子水平體驗(yàn)和認(rèn)識了酶在人體生命活動中的重要作用。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比較

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)比較

中美教材實(shí)驗(yàn)的知識目標(biāo)基本一致，通過模擬營養(yǎng)物質(zhì)在人體內(nèi)的消化過程，理解淀粉酶對淀粉產(chǎn)生的影響。在情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)方面，兩者都引起了學(xué)生對自身健康和發(fā)展的關(guān)注。在能力目標(biāo)方面，兩者存在差異，人教版教材強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生完善探究實(shí)驗(yàn)方案的能力，而美國教材更注重培養(yǎng)學(xué)生測量、計(jì)算、觀察、收集和記錄數(shù)據(jù)能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比較

該實(shí)驗(yàn)中美教材的實(shí)驗(yàn)原理一致，均采用碘液來檢測淀粉酶對淀粉的水解程度，都體現(xiàn)了對學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的重視，但實(shí)驗(yàn)類型存在差異，人教版教材中屬于探究性實(shí)驗(yàn)，在美國教材中是以調(diào)查實(shí)驗(yàn)的形式出現(xiàn)的。

人教版教材注重探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)了兩組對照實(shí)驗(yàn)，既比較了切碎和未切碎的饅頭消化的情況，研究了物理性消化的作用；也比較了加唾液和加清水的情況，研究了化學(xué)性消化的作用。人教版教材既使學(xué)生認(rèn)識到消化是一個復(fù)雜的過程，不是單靠一種消化過程得以實(shí)現(xiàn)的，又利用3個試管內(nèi)的材料設(shè)計(jì)了2組對照實(shí)驗(yàn)，節(jié)約材料，設(shè)計(jì)巧妙。在實(shí)驗(yàn)計(jì)劃初步制定后，教師可讓學(xué)生通過實(shí)踐來對實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行修改和完善，如讓學(xué)生思考選取多大的饅頭塊，如何獲得較多的純凈唾液，以及實(shí)驗(yàn)裝置在37℃的溫水中保持多長時(shí)間最合適等。這些都培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)施實(shí)驗(yàn)的能力。

美國教材雖然只設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)（見附錄），但也考慮得比較全面，既橫向比較了3種谷類被淀粉消化的速率的不同，學(xué)生可以認(rèn)識到不同谷類組成成分的差異；同時(shí)也縱向研究了每隔30 s樣本中的淀粉被消化的情況，學(xué)生可以分析得出酶的水解作用效果與作用時(shí)間長短之間的關(guān)系。此外，美國教材提到通過控制變量來提高設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的技能，啟發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究淀粉酶對某一種谷類食品起作用時(shí)，是否受到溫度或pH的影響，這說明美國教材也很重視學(xué)生設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。

2.3 藥品器材的比較

中美教材在實(shí)驗(yàn)器材的選取和使用存在一些共性，即此實(shí)驗(yàn)所用的器材非常生活化和便捷化。如美國教材中各種干的谷物、研缽、濾紙、漏斗和人教版教材中的饅頭、熱水、溫度計(jì)、玻璃棒等藥品和器材大多是簡便易得的材料。本實(shí)驗(yàn)最主要的實(shí)驗(yàn)材料——唾液淀粉酶的來源，美國教材和中國教材存在著明顯的差異。美國教材中淀粉酶的來源是淀粉酶液，而人教版教材中淀粉酶的來源是唾液。美國教材所使用的淀粉酶，一般來自于枯草芽孢桿菌的培養(yǎng)、提取和加工，能迅速水解淀粉。配置成一定濃度的淀粉酶液能夠保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，適于進(jìn)行精確的定量實(shí)驗(yàn)，但是淀粉酶價(jià)格不經(jīng)濟(jì)。中國教材中所使用的淀粉酶直接來自于人體的唾液，能在37℃下迅速水解淀粉，材料經(jīng)濟(jì)易得，但需教師指導(dǎo)學(xué)生正確采集唾液，由于唾液存在個體差異，僅適合進(jìn)行較為粗放的定性實(shí)驗(yàn)。此外，本實(shí)驗(yàn)中淀粉雖都是來自于餐桌上的食品，但也存在差異，美國教材選用的是3種谷物中的可溶性淀粉，并而人教版教材選用的是饅頭中的淀粉。

2.4 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程的比較

2.4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的比較

由于兩種淀粉酶的最適溫度不同，所以中美教材的實(shí)驗(yàn)環(huán)境也不盡相同。

人教版實(shí)驗(yàn)在模擬人體體溫的環(huán)境下進(jìn)行，一般可以在盛有37℃溫水的燒杯中保溫5~10 min，有條件的學(xué)校可在水浴鍋中進(jìn)行。唾液中的淀粉酶濃度不高，反應(yīng)時(shí)間較長。

美國實(shí)驗(yàn)則在高于體溫的環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中通過加入沸水獲得三種谷物中的可溶性淀粉，因而本實(shí)驗(yàn)使用的淀粉酶較之唾液淀粉酶應(yīng)是更耐高溫的，最常見的是最佳作用溫度為60℃的α-淀粉酶。實(shí)驗(yàn)中每隔30 s取樣并滴加碘液，以30 s作為時(shí)間單位，說明該淀粉酶液濃度較高，反應(yīng)速率快。但是美國實(shí)驗(yàn)沒有提到對過濾得到的淀粉溶液進(jìn)行保溫處理，使得溫度成為除反應(yīng)時(shí)間外另一個影響淀粉酶作用效果的變量，這一點(diǎn)沒有人教版實(shí)驗(yàn)考慮得周到。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的比較

在數(shù)據(jù)的記錄與分析方面，美國教材更為重視數(shù)據(jù)的精確性和完整性。

人教版實(shí)驗(yàn)僅是一個定性實(shí)驗(yàn)，沒有要求實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的記錄，學(xué)生只需觀察試管內(nèi)的饅頭遇碘液有無變化，記錄下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即可得出關(guān)于唾液淀粉酶作用的結(jié)論。

美國教材設(shè)計(jì)了定性實(shí)驗(yàn)來證明淀粉酶的作用，同時(shí)也通過精確控制實(shí)驗(yàn)材料的用量和反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)行了定量研究，如谷物用量均為0.5 g，每30 s提取樣本進(jìn)行檢測，并且及時(shí)將每一步的數(shù)據(jù)記錄在表格內(nèi)（表1）。實(shí)驗(yàn)獲得了非常精確的數(shù)據(jù)，可以為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了保證。學(xué)生不僅能得出相關(guān)結(jié)論，而且可以嘗試解決一些開放性問題。

2.5 實(shí)驗(yàn)討論的比較

中美教材均在實(shí)驗(yàn)最后以問題討論來鼓勵學(xué)生思考，得出關(guān)于淀粉酶作用的結(jié)論。此外，人教版教材提出了“你的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與其他同學(xué)一樣嗎？如果不一樣，與同學(xué)一起分析原因”等問題，進(jìn)一步分析干擾實(shí)驗(yàn)的各種變量，從而對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善。美國教材通過聯(lián)系本章中營養(yǎng)學(xué)的知識，讓學(xué)生分析谷物中淀粉與單糖的不同比例對谷物熱值的影響，有助于知識的鞏固和遷移。

3 結(jié)論與建議

3.1 重視通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)來構(gòu)建生物學(xué)概念

中美兩國的課程標(biāo)準(zhǔn)都強(qiáng)調(diào)了生物學(xué)基本概念的形成，概念是反映事物本質(zhì)屬性與共同特征的思維形式。實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈母行缘嚼硇?、從具體到抽象地把生命現(xiàn)象所包含的本質(zhì)屬性和特征真實(shí)、準(zhǔn)確地揭示出來，符合學(xué)生的身心特點(diǎn)和認(rèn)知規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生對概念的構(gòu)建。人體消化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能是生物學(xué)重要的基礎(chǔ)概念之一，如何幫助學(xué)生有效地構(gòu)建這一概念呢？中美教材均通過實(shí)驗(yàn)使淀粉酶在消化過程中的作用變得直觀而具體?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)作為有效的載體，不僅能夠幫助學(xué)生理解生命現(xiàn)象、揭示科學(xué)的本質(zhì)和構(gòu)建科學(xué)概念，而且也能培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力，提高其生物科學(xué)素養(yǎng)。因此，中美兩國教材都選擇了科學(xué)實(shí)驗(yàn)作為構(gòu)建生物學(xué)概念的重要方式。

3.2 強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中的變量控制和數(shù)據(jù)采集

美國基礎(chǔ)科學(xué)課程計(jì)劃《科學(xué)——過程和方法》中將辨別和控制變量確定為科學(xué)探究過程的技能之一。實(shí)驗(yàn)中自變量的選擇以及對因變量的觀察、測量和記錄關(guān)系到探究過程的成敗。美國教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)凸顯了控制變量的思想。無論是對實(shí)驗(yàn)材料的選擇、稱量，還是對實(shí)驗(yàn)裝置的空白處理，無不體現(xiàn)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。在人教版教材中，對實(shí)驗(yàn)裝置的保溫處理避免了溫度的變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，但是整體來看，人教版實(shí)驗(yàn)對變量的控制不如美國教材嚴(yán)格。此外，及時(shí)、準(zhǔn)確地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是科學(xué)探究過程的技能之一，它為對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、綜合和分析奠定基礎(chǔ)，缺失這一環(huán)節(jié)將使學(xué)生容易忽視過程與結(jié)果的聯(lián)系，也使結(jié)果變得難以解釋。因此，美國教材強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)變量的嚴(yán)格控制和數(shù)據(jù)的精確記錄，體現(xiàn)了對學(xué)生探究技能和探究過程的重視，這些都是我國教育需要向美國教材學(xué)習(xí)的地方。

根據(jù)中美教材中淀粉酶實(shí)驗(yàn)的比較，分析該實(shí)驗(yàn)在兩種教材中的異同，能夠?yàn)榻窈蟮慕虒W(xué)實(shí)踐提供諸多合理可行的方法，同時(shí)也以下列幾個方面作進(jìn)一步的探討和實(shí)踐：① 如何進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生在探究中的問題意識。中美教材均直接提供了實(shí)驗(yàn)方案，但這在無形中限制了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的自主性。在實(shí)際的教學(xué)中，教師應(yīng)更多地關(guān)注學(xué)生面臨的困難和疑惑，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，因?yàn)閷W(xué)生能夠認(rèn)識到“為什么這樣做”比“怎么做”更有價(jià)值。② 如何對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理而有效的評價(jià)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。中美教材中少有涉及實(shí)驗(yàn)評價(jià)的內(nèi)容，這促使教師深入思考評價(jià)的對象、方式和意義?？茖W(xué)探究提倡讓學(xué)生參與到評價(jià)中去，與教師平等對話、積極交流。關(guān)注實(shí)驗(yàn)中的評價(jià)，體現(xiàn)公平性和多元化，才能促使學(xué)生探究能力的真正提高。

附 美國教材“淀粉酶對早餐中谷物食品的作用”實(shí)驗(yàn)操作步驟：

1. 制作如下數(shù)據(jù)表。

2. 標(biāo)記早餐谷物，將其對應(yīng)的3支試管分別標(biāo)記為A、B、C。

3. 用研缽將少量早餐谷物碾成粉末。

4. 在漏斗上墊一層濾紙，然后把漏斗架到試管A上。

5. 用天平稱取0.5g谷物A的粉末，將其放入漏斗。

6. 將10 mL沸水倒入漏斗，取其過濾液。

7. 重復(fù)步驟4、5、6，用同樣的方法處理谷物B和C。每次過濾后，沖洗漏斗并更換濾紙。

8. 將兩滴碘液加入表面皿，再加入2滴濾液A。如果顏色出現(xiàn)深藍(lán)色或黑色，表示有淀粉存在。然后將結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)表中。

9. 重復(fù)步驟8，檢驗(yàn)谷物B和C中是否含有淀粉。在兩次實(shí)驗(yàn)間，注意要清洗表面皿。

10. 在三種濾液中各加2 mL淀粉酶液，立即采樣重復(fù)步驟8~9，檢測其是否有淀粉存在。

11. 每30秒提取一次樣本，觀察樣本中淀粉被消化的情況，并記錄結(jié)果。

12. 清潔與整理 按照教師的指導(dǎo)清理實(shí)驗(yàn)器材，判斷材料是否需要丟棄或循環(huán)利用，然后洗手。