基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的“探究影響酶活性的條件”實驗教學(xué)設(shè)計

朱 昊

(河北省秦皇島市山海關(guān)第一中學(xué) 秦皇島 066299)

1 教材分析及設(shè)計思路

“探究影響酶活性的條件”是人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》第5章第1節(jié)中的內(nèi)容。在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了酶的相關(guān)知識和“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，這為本次實驗奠定了基礎(chǔ)。同時本次探究實驗，有助于學(xué)生理解光合作用和細(xì)胞呼吸?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對本部分的內(nèi)容要求是： 說明酶活性受到環(huán)境因素(如pH和溫度等)的影響。

該探究實驗包括兩個子課題——探究pH和溫度對酶活性的影響，課容量較大，對學(xué)生的實驗操作水平要求較高，而且教材沒有提供具體的實驗方案。為此，需要優(yōu)化實驗條件及教學(xué)組織，保證在一節(jié)課的時間內(nèi)完成影響酶活性的條件的探究。本節(jié)課依據(jù)科學(xué)探究實驗的一般流程展開，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 學(xué)會在真實情境下做出假設(shè)、設(shè)計實驗、分組實施及結(jié)果分析等步驟，掌握科學(xué)探究的思路和方法，發(fā)展科學(xué)思維。

(2) 通過對實驗方案的評價、修改和完善，學(xué)會推理、歸納、質(zhì)疑、批判等科學(xué)思維方法。

(3) 通過實驗探究，形成“酶活性受到環(huán)境因素(如pH和溫度等)的影響”這個科學(xué)概念。

3 實驗裝置設(shè)計及實驗方法優(yōu)化

(1) “探究pH對H2O2酶活性的影響”實驗裝置： 由兩個20 mL注射器、一段輸液管以及一個調(diào)節(jié)旋鈕組成(圖1)，用蒸餾水配制一定濃度的酵母菌溶液(安琪干酵母粉)作為過氧化氫酶的來源。該實驗裝置的制作更簡單，材料易獲得，不僅可以定量控制酶和底物的用量，使反應(yīng)發(fā)生和定量測定在同一個注射器中進(jìn)行，而且小組內(nèi)的幾名學(xué)生同時操作，可以使反應(yīng)同時進(jìn)行，操作更簡便，實驗數(shù)據(jù)易獲得。

圖1 “探究pH對H2O2酶活性的影響”的實驗裝置

(2) “探究溫度對淀粉酶活性的影響”實驗方法的優(yōu)化： ①選擇淀粉和α-淀粉酶為實驗材料，碘液為檢測試劑，α-淀粉酶溶液的濃度調(diào)整為0.25%；②保溫時間至少延長至8 min；③高溫組水浴溫度調(diào)整為85℃；④采用白色點滴板觀察現(xiàn)象。

4 教學(xué)過程

4.1 教學(xué)前的準(zhǔn)備 教師提前準(zhǔn)備各種試劑及器材并布置作業(yè)，請學(xué)生參照教材，設(shè)計“探究pH和溫度對酶活性的影響”的實驗方案，教師收集方案并批閱，選出典型的實驗方案。同時教師組織興趣小組按照典型實驗方案進(jìn)行預(yù)實驗，記錄實驗現(xiàn)象并錄成微視頻。

4.2 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課 教師出示資料： ①當(dāng)人消化不好的時候，醫(yī)生會給開多酶片，多酶片說明書上面寫著“多酶片是由胰酶、胃蛋白酶復(fù)合而成，該藥品在酸性條件下易破壞”；②“雕牌”超效加酶洗衣粉，其包裝袋上印有“成分： 含有生物酶等，用法： 用溫水溶液進(jìn)行浸泡衣服”。此時教師提出問題：“為什么多酶片在酸性條件下易破壞呢？為什么用溫水浸泡衣服呢？”教師引導(dǎo)學(xué)生做出相應(yīng)的假設(shè)： pH、溫度可能會影響酶的活性。那么假設(shè)是否正確呢？需要我們通過實驗來驗證我們的假設(shè)是否正確。

設(shè)計意圖： 培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實驗設(shè)計的能力，將典型實驗方案錄成微視頻，為學(xué)生評價實驗方案奠定基礎(chǔ)，通過創(chuàng)設(shè)生活化的真實情境，引導(dǎo)學(xué)生做出合理的假設(shè)，從而引出科學(xué)探究的一般流程。

4.3 師生評價、修改、完善“探究pH對酶活性的影響”實驗方案 教師播放課前錄制的微視頻，以此來呈現(xiàn)學(xué)生設(shè)計的典型實驗方案(例如： 取3支潔凈的試管，編號1、 2、 3；各加入1 mL的淀粉酶溶液；分別加入3滴5% HCl、 5% NaOH和蒸餾水搖勻,維持5 min；各注入2 mL可溶性淀粉溶液；各滴入1滴碘液，觀察實驗現(xiàn)象)，讓學(xué)生從可行性和科學(xué)性的角度，評價實驗方案。教師組織學(xué)生討論，然后由學(xué)生代表展示： 該方案加入5% NaOH的試管中沒有出現(xiàn)藍(lán)色，與預(yù)期結(jié)果不符，該方案不具有可行性。

此時教師出示文獻(xiàn)資料1： 碘與NaOH反應(yīng)，產(chǎn)生無色的碘化鈉和次碘化鈉，失去作為檢測試劑的功能，影響對實驗結(jié)果的判斷[1]。學(xué)生通過分析資料，得出結(jié)論： 碘與NaOH反應(yīng)是導(dǎo)致實際結(jié)果與預(yù)期不符的原因所在。教師追問：“真的不能用碘液檢測嗎？”教師順勢出示文獻(xiàn)資料2： 將0.01 mol/L HCl溶液、0.01 mol/L NaOH溶液設(shè)置為酸、堿環(huán)境條件，檢測試劑為碘液的反應(yīng)體系為： 3%淀粉溶液與0.1% α-淀粉酶溶液各1 mL，25℃下反應(yīng)5 min[2]。學(xué)生通過分析資料，得出結(jié)論： 只要優(yōu)化酸堿條件，也可以用碘液檢測?；谏鲜龇治?，學(xué)生認(rèn)為選擇用過氧化氫酶探究pH對酶活性的影響更合適。

教師再次提出問題： 如何設(shè)計實驗，定量探究pH對H2O2酶活性的影響呢？教師課前指導(dǎo)興趣小組上網(wǎng)查閱文獻(xiàn)，了解該實驗的研究現(xiàn)狀并設(shè)計實驗方案，課上由學(xué)生代表進(jìn)行匯報，最后師生共同評價和完善實驗方案。

4.4 師生評價、修改、完善“探究溫度對酶活性的影響”實驗方案 教師出示“探究溫度對酶活性的影響”的典型實驗方案(例如： 取3支潔凈的試管，編號1、 2、 3；分別加入2 mL可溶性淀粉溶液；各注入1 mL的淀粉酶溶液，搖勻后，維持5 min；分別放入在60℃水、沸水和冰水中，維持各自的溫度5 min；各滴入1滴碘液，搖勻，觀察實驗現(xiàn)象)，讓學(xué)生從可行性和科學(xué)性的角度，評價實驗方案。

教師組織學(xué)生討論，然后由學(xué)生代表展示： 該方案缺乏科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性。因為加入淀粉酶之后再控制溫度，那么當(dāng)?shù)矸勖敢患尤耄渲械牡矸勖格R上催化淀粉水解，會產(chǎn)生實驗誤差，對實驗結(jié)果造成干擾。此時教師出示文獻(xiàn)資料3： α-淀粉酶失活的溫度為85℃，使α-淀粉酶失活的保溫時間至少控制在6 min[3]。將α-淀粉酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.25%，實驗獲得了良好的重現(xiàn)性[4]。學(xué)生分析資料，然后師生共同完善實驗方案。

設(shè)計意圖： 以文獻(xiàn)資料為支架，按照從呈現(xiàn)典型實驗方案到初次評價實驗方案再到進(jìn)一步評價完善實驗方案的思路進(jìn)行教學(xué)，不僅符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，而且讓學(xué)生體會到科學(xué)研究的方法。

4.5 分組實驗，合作探究 教師出示探究活動內(nèi)容及任務(wù)分工，組織全班學(xué)生同時開展兩個探究實驗。

活動一 提供以下實驗材料： 1% H2O2溶液、2%酵母菌溶液、注射器、輸液管、不同的pH溶液，探究pH對H2O2酶活性的影響。(組1—5完成該實驗，組長用手機將實驗結(jié)果拍照上傳到班級微信群，并將本組數(shù)據(jù)填寫到電腦端的Excel表格中。)

活動二 提供以下實驗材料： 溫度計若干支、60℃水浴、0℃冰水混合物、90℃水浴、3%淀粉溶液、0.25%淀粉酶溶液、碘液、探究溫度對淀粉酶活性的影響(組6—10完成該實驗，組長用手機將實驗結(jié)果拍照上傳到班級微信群)。

4.6 結(jié)果分享，分析交流 學(xué)生分析和交流能力是學(xué)科核心素養(yǎng)之科學(xué)探究能力中的重要評價指標(biāo)。

4.6.1 “探究pH對H2O2酶活性的影響”的實驗結(jié)果及分析 學(xué)生利用手機將實驗結(jié)果上傳到班級微信群，然后師生共同點評。組長將實驗數(shù)據(jù)填到Excel表格中，自動生成數(shù)學(xué)曲線圖(圖2)，然后學(xué)生分析曲線圖，歸納得出結(jié)論： 隨著pH的增加，單位時間內(nèi)氣體產(chǎn)生量先增加后減少，在pH 7左右，氣體產(chǎn)生量最大。因此，過酸、過堿會使酶失去活性，酶活性在最適pH的時候最大。

圖2 pH對酵母菌過氧化氫酶活性的影響

4.6.2 “探究溫度對淀粉酶活性的影響”的實驗結(jié)果及分析 教師利用希沃授課助手同屏技術(shù)將實驗結(jié)果(圖3)投在大屏幕上，學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與預(yù)期不符。提出質(zhì)疑：“為什么0℃組沒有出現(xiàn)預(yù)期的藍(lán)色，而出現(xiàn)紅褐色？”教師出示文獻(xiàn)資料5： 淀粉酶水解淀粉是一個逐步進(jìn)行的過程，淀粉水解不同階段的中間產(chǎn)物遇碘有不同的顏色反應(yīng)，最后才形成遇碘不顯色的麥芽糖和葡糖糖，其顏色變化順序依次為紫藍(lán)色(淀粉)→紫色→紅褐色→紅棕色→無色(麥芽糖、葡糖糖)[4]。學(xué)生分析資料，得出結(jié)論： 低溫并沒有完全喪失酶的活性，低溫組比60℃組的酶活性低而已，所以沒有被徹底水解變成麥芽糖和葡糖糖，而是形成了中間產(chǎn)物。

圖3 “溫度對淀粉酶活性的影響”的實驗結(jié)果

教師追問：“低溫組如果升高溫度，能否提高酶活性？而高溫組如果降低溫度，酶活性能否恢復(fù)？”此時教師出示興趣小組的實驗結(jié)果(圖略)，學(xué)生分析結(jié)果并得出結(jié)論： 低溫組如果升高溫度，酶活性也隨之提高，而高溫組降低溫度，酶活性不會恢復(fù)。

設(shè)計意圖： 通過兩個探究實驗，讓學(xué)生親歷科學(xué)探究的過程，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會描述觀察到的實驗現(xiàn)象；在探究過程中，學(xué)會與同學(xué)主動合作，并交流結(jié)果；學(xué)會基于事實和證據(jù)，運用歸納和概括等思維方法，進(jìn)行邏輯推理，闡明“酶活性受到環(huán)境因素(如pH和溫度等)的影響”這一科學(xué)概念，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

4.7 回歸生活，學(xué)以致用 教師出示資料： 多酶片的主要成分是胃蛋白酶、淀粉酶和胰酶，而它們各自的作用方式及環(huán)境各不相同。前兩者是在酸性環(huán)境下活性大，而后者是在中性及偏堿環(huán)境下活性大，所以不能混用。根據(jù)此性質(zhì)，藥廠將這三種藥制成“雙層片”，即先將胰酶包腸溶衣片，再將胃蛋白酶，淀粉酶包在外層。請同學(xué)們利用所學(xué)知識解釋“為什么服用此藥不能嚼碎，而應(yīng)整片吞服？”

5 教學(xué)反思

本節(jié)課是以多酶片、加酶洗衣粉這一真實情境為導(dǎo)向，依據(jù)科學(xué)探究實驗的一般流程展開，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。通過科學(xué)合理分組、同時探究兩個子實驗，在探究過程中，充分利用希沃授課助手中同屏技術(shù)以及Excel軟件的數(shù)據(jù)處理功能，實現(xiàn)了師生之間的有效互動，大大提高了實驗課的教學(xué)效率，從而保證在一節(jié)課的時間內(nèi)完成影響酶活性的條件的探究，使教學(xué)目標(biāo)得到有效落實。