利用手持技術(shù)定量探究溫度對酶活性的影響

李金月 李韶山

（1 華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣東廣州 510631 2 華南師范大學(xué)附屬中學(xué) 廣東廣州 510630）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) （2017年版）》提出生物學(xué)課程旨在提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，科學(xué)探究作為生物學(xué)核心素養(yǎng)之一， 更加凸顯科學(xué)探究的重要性。 課程標(biāo)準(zhǔn)中建議加強(qiáng)和完善生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)， 在生物學(xué)教學(xué)過程中重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。 教師應(yīng)向?qū)W生提供機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)量的測定， 實(shí)事求是地記錄、 整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果［1］。

探究溫度對酶活性的影響是人教版高中生物學(xué)必修1 第5 章第1 節(jié)的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)， 教材沒有提供具體的實(shí)驗(yàn)方案， 而是通過問題和分析引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，因此，本實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生探究能力、提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的良好材料。 然而，在許多教學(xué)資料中， 將該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為驗(yàn)證型的定性實(shí)驗(yàn)， 例如記錄淀粉顏色反應(yīng)由藍(lán)色到棕黃色的變色時(shí)間t，以1／t 反映淀粉酶的活性［2］，僅有少數(shù)設(shè)計(jì)為探究型的定量實(shí)驗(yàn)。手持技術(shù)（handheld technology）是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和計(jì)算機(jī)及配套的軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，具有便捷、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、綜合和直觀等特點(diǎn)［3］。結(jié)合手持技術(shù)定量采集數(shù)據(jù)的優(yōu)勢， 在觀察淀粉顏色反應(yīng)的同時(shí)，采用色度傳感器進(jìn)行定量檢測，實(shí)時(shí)生成圖表，為中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試劑選擇與用量 選擇淀粉和淀粉酶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而不選擇過氧化氫和過氧化氫酶，因?yàn)榧訜釙?huì)促進(jìn)過氧化氫分解，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中存在2 個(gè)變量。斐林試劑檢測還原糖需要加熱條件， 故不使用斐林試劑檢測產(chǎn)物量， 而使用碘液檢測剩余底物的量。在使用碘液檢測淀粉水解程度時(shí)，應(yīng)將淀粉液冷卻至常溫后再加碘液， 在高溫條件下碘液不能檢測淀粉。因?yàn)榈矸凼怯搔?葡萄糖組成的螺旋結(jié)構(gòu)，可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，其中碘分子嵌入直鏈淀粉螺旋結(jié)構(gòu)中心，形成淀粉-碘絡(luò)合物。 這種絡(luò)合物吸收除藍(lán)色以外的其他可見光， 因此使溶液呈現(xiàn)藍(lán)色。 高溫條件下， 淀粉螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，不能與碘分子形成絡(luò)合物，因此溶液不變藍(lán)，淀粉溶液在冷卻后螺旋結(jié)構(gòu)恢復(fù)， 再加碘液可呈現(xiàn) 藍(lán)色［4］。

通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常溫下在淀粉液中加入10 μL 碘液呈現(xiàn)淺藍(lán)色， 測得透光率為37.44，加入50 μL 碘液呈現(xiàn)深藍(lán)色， 測得透光率為1.35。為增加不同溫度下色度差別， 統(tǒng)一加入50 μL 碘液進(jìn)行顯色反應(yīng)。

1.2 溫度設(shè)置 學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為唾液淀粉酶的最適溫度在37℃左右。 然而有些實(shí)驗(yàn)方案僅設(shè)置0℃、60℃和100℃3 個(gè)溫度，60℃是工業(yè)淀粉酶的最適溫度，但對于唾液淀粉酶來說，這種溫度設(shè)置顯然不夠嚴(yán)謹(jǐn)。 通過冰浴和恒溫水浴設(shè)置溫度梯度0℃、20℃、40℃、60℃、80℃，更有利于學(xué)生探究溫度對酶活性的影響，更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，符合學(xué)生的認(rèn)知方式。

1.3 操作順序 在淀粉液與酶液混合前，應(yīng)分別將其預(yù)熱至相對應(yīng)的溫度， 混合后在相應(yīng)溫度下保溫。如果僅將淀粉液保溫至相應(yīng)的溫度，再加入常溫下的酶液， 短時(shí)間內(nèi)溫度的變化會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié) 果［5］。

1.4 定量檢測 通過檢測相同時(shí)間后剩余底物量或產(chǎn)物量， 出現(xiàn)相同底物量或產(chǎn)物量所需時(shí)間的差異可以達(dá)到定量檢測的目的。 本實(shí)驗(yàn)通過淀粉和碘液的顯色反應(yīng)檢測相同時(shí)間剩余底物量，碘液可使淀粉溶液變藍(lán)， 唾液淀粉酶催化淀粉水解，唾液淀粉酶的活性越高，淀粉水解程度越大，加入碘液后的顏色越淺，透光率越大。采用色度傳感器可以測得溶液的透光率， 進(jìn)而定量反映唾液淀粉酶的活性。

2 探究教學(xué)流程

通過本探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施， 結(jié)合探究性教學(xué)，使學(xué)生體驗(yàn)“提出問題—作出假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—分析結(jié)果—得出結(jié)論—反思評價(jià)—表達(dá)交流”等科學(xué)探究的一般過程和方法，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2.1 提出問題 聯(lián)系學(xué)生生活，創(chuàng)設(shè)問題情境。例如加酶洗衣粉的包裝袋上，為什么往往注明這種洗衣粉的適用溫度范圍？為什么發(fā)燒時(shí)會(huì)出現(xiàn)食欲不振、渾身乏力等癥狀？ 引導(dǎo)學(xué)生思考溫度與酶活性的關(guān)系，進(jìn)而提出問題：你認(rèn)為溫度和酶活性之間有什么關(guān)系，能用坐標(biāo)圖的形式表示嗎？

2.2 作出假設(shè) 學(xué)生通過思考討論可能形成多種具體的假設(shè)和預(yù)測。學(xué)生預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并繪制預(yù)測的坐標(biāo)圖。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 教師通過問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，例如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要遵循哪些原則？實(shí)驗(yàn)自變量是什么？如何控制？實(shí)驗(yàn)因變量是什么？如何檢測？如何排除無關(guān)變量的影響？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組或?qū)φ战M？學(xué)生思考問題小組討論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并由教師和學(xué)生共同完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.4 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 學(xué)生利用手持技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù)變化。 在分小組開展實(shí)驗(yàn)的過程中通過分工合作完成實(shí)驗(yàn)， 組間可看作重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

1）連接色度傳感器，數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)。

2）配制系列標(biāo)準(zhǔn)淀粉溶液，分別測定其色度（SD），根據(jù)公式A=2-lg（SD），計(jì)算得出吸光值（A），繪制“吸光值-淀粉濃度”標(biāo)準(zhǔn)曲線。

3）取5 支試管分別加入0.2%的淀粉液2 mL。另取6 支試管加入稀釋50 倍的唾液1 mL。

4）將淀粉液和唾液分別在0℃、20℃、40℃、60℃、80℃條件下保溫5 min。 再分別混合保溫20 min（表1）。

5）加碘液顯色，觀察并記錄顏色變化。

6）啟動(dòng)色度傳感器，設(shè)置采集參數(shù)，采集數(shù)據(jù)。

7）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得出不同溫度下的淀粉含量，進(jìn)一步計(jì)算得出淀粉水解速率，繪制“淀粉水解速率-溫度”曲線。

表1 溫度對唾液淀粉酶活性的影響實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2.5 分析結(jié)果、得出結(jié)論 教師引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果是否一致？ 不同小組間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有哪些異同？哪些因素可能會(huì)造成實(shí)驗(yàn)誤差？在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方面， 教師綜合各小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過問題引導(dǎo)學(xué)生從宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、微觀實(shí)驗(yàn)原理、 曲線變化趨勢多重表征的角度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1）宏觀表征：實(shí)驗(yàn)中有哪些明顯的現(xiàn)象，如何解釋？

本實(shí)驗(yàn)中淀粉與碘液的顏色反應(yīng)是可以觀察到的宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置2 個(gè)對照組，對照組1 為稀碘液（3 mL 蒸餾水+50 μL 碘液）和對照組2（2 mL 淀粉液+1 mL 蒸餾水+50 μL 碘液）。從表2 可見，溫度在0℃和80℃條件下，溶液呈深藍(lán)色，溶液透光率與對照組2 接近，說明淀粉完全沒有水解， 唾液淀粉酶活性很低或失去活性。 溫度60℃時(shí)，溶液呈深紫色，說明淀粉僅部分水解，唾液淀粉酶活性較低。 溫度20℃和40℃條件下，溶液均呈淺黃色，說明唾液淀粉酶活性均較高，40℃條件下透光率更接近對照組1， 說明40℃更接近唾液淀粉酶的最適溫度。

表2 溫度對唾液淀粉酶活性的影響

2）曲線表征：如何解釋實(shí)驗(yàn)曲線？

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程（y=881.4x+2.55）計(jì)算不同溫度下的淀粉含量， 與純淀粉碘化鉀溶液相比計(jì)算淀粉水解速率， 用Excel 記錄數(shù)據(jù)后可自動(dòng)生成坐標(biāo)曲線（圖1）。 由曲線可以看出，唾液淀粉酶的最適溫度為40℃左右，這與人體的體溫37℃左右的條件相符。在不同溫度條件下，唾液淀粉酶的活性不同。 在最適溫度之前（0～37℃），溫度越高，淀粉水解速率越快，唾液淀粉酶的活性越高；超過最適溫度后（大于37℃），溫度越高，酶活性反而隨之下降。

圖1 溫度對唾液淀粉酶活性的影響

3）微觀表征：結(jié)合所學(xué)知識(shí)，如何解釋實(shí)驗(yàn)原理？

根據(jù)已學(xué)知識(shí)， 學(xué)生根據(jù)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)或RNA，絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，分析得知溫度會(huì)影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，因而影響酶的活性。溫度過高時(shí)，蛋白質(zhì)變性，即蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，酶失去活性。0℃左右時(shí)，酶的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但酶的活性很低。

學(xué)生根據(jù)結(jié)果分析進(jìn)一步得出結(jié)論， 并將結(jié)論應(yīng)用于解釋探究問題和有關(guān)的生活情境。2.6 反思評價(jià)、表達(dá)交流 教師引導(dǎo)學(xué)生回顧探究的過程，對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行反思和評價(jià)。例如對手持儀器的使用、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施、組內(nèi)或組間的分工合作等方面。

采用色度傳感器測定淀粉與碘液顯色反應(yīng)的色度，定量檢測相同時(shí)間后淀粉剩余量的差異，計(jì)算得出淀粉水解速率， 進(jìn)而達(dá)到定量比較不同溫度條件下唾液淀粉酶活性的目的。 在學(xué)生探究性學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過小組合作進(jìn)行定量測定、記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制溫度對酶活性影響的曲線。 學(xué)生在體驗(yàn)科學(xué)探究一般流程和方法的同時(shí)， 進(jìn)一步深化對實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理和概念的理解， 在量的變化中了解科學(xué)的實(shí)證性等科學(xué)本質(zhì)。 結(jié)合手持技術(shù)和多重表征教學(xué)模式開展中學(xué)生物學(xué)探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)， 手持技術(shù)在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用有待進(jìn)一步的實(shí)踐探索。