“pH對酶活性影響的定量分析”實驗改進教學設(shè)計

張琪

“一切都要經(jīng)過實驗”是現(xiàn)代實驗生物學奠基人摩爾根的科研信條。生物學作為一門實驗性學科，實驗教學是中學生物教學的重要組成部分，也是全面實施素質(zhì)教育最有效的途徑。探究性學習是一種學習方式，同時又是一個積極的學習過程。它是指在教學中創(chuàng)設(shè)一種類似于學術(shù)研究的情境，從學科領(lǐng)域或現(xiàn)實生活中選擇和確定研究主題，學生展開調(diào)查與研究，通過自主獨立地發(fā)現(xiàn)問題、實驗操作、調(diào)查、信息收集與處理、表達與交流等探索活動，獲得生物學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，特別是探索精神和創(chuàng)新能力發(fā)展的學習方式和學習過程。本節(jié)課采取探究性教學模式，在問題驅(qū)動和實驗創(chuàng)新的載體下，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維和分析歸納的能力，提高學生的實驗創(chuàng)新和信息技術(shù)的應用能力。

1實驗設(shè)計意圖

“探究酶活性的影響因素”實驗能極大限度發(fā)揮學生的主體作用，對于培養(yǎng)學生科學思維、科學探究能力等生物學學科核心素養(yǎng)有重要意義。另外，在探究過程中，教師可以讓學生體驗科學探究的成功與失敗，形成良好的自我認知和自我評價。教師要促進學生用發(fā)現(xiàn)的眼光從生活中取材，對實驗進行改進。

2教材分析和學情分析

“探究酶活性的影響因素”是高中生物《必修1·分子與細胞》模塊的第二個探究實驗，包括溫度和pH對酶活性的影響兩個探究實驗。通過實驗探究，學生可以親自獲得酶的活性受到溫度和酸堿度影響的實驗證據(jù)，同時為后面學習影響呼吸作用和光合作用的因素等知識奠定基礎(chǔ)。

學生已經(jīng)學習酶的本質(zhì)，了解了酶的作用機理及特性，并且在學習“探究植物細胞吸水和失水”后，對實驗探究方法有了一定的體驗和感悟，可初步設(shè)計簡單實驗。在本實驗中，學生將由從定性觀察上升為定量實驗。此過程中的數(shù)據(jù)采集和變量控制對學生而言是一個挑戰(zhàn)。

3教學目標

①初步掌握探究實驗的一般方法，學會控制變量和設(shè)計對照實驗。

②嘗試自己動手設(shè)計實驗裝置和方案，并對實驗方案進行改進。

③根據(jù)實驗結(jié)果，說出pH的變化對酶活性的影響，并分析原因。

④體驗科學探究的艱難，形成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度及創(chuàng)新、合作的科學精神。

4教學設(shè)計

4.1教師引導，提出問題

教師展示關(guān)于過氧化氫酶的資料，并指出：過氧化氫酶可以催化過氧化氫分解成水和氧氣，因此可以通過檢測氧氣產(chǎn)生間接測定過氧化氫酶的活性。在動物肝臟和置于空氣中易變色的植物材料中過氧化氫酶的活性較高。這些可以為學生選擇實驗選材提供依據(jù)。

4.2小組合作.設(shè)計實驗

教師根據(jù)教科書提供的實驗方案，提出問題：①豬肝易變質(zhì)，能否用植物材料代替？怎樣確定最佳實驗材料？②觀察過氧化氫分解產(chǎn)生氣泡的多少及衛(wèi)生香復燃程度具有主觀性，難于量化，應怎樣進行定量實驗？③pH影響酶活性的曲線是如何繪制的？

在學生思考討論的基礎(chǔ)上，教師指導學生完成3個探究實驗：①比較不同植物中過氧化氫酶的活性（通過定性觀察、兩兩比較進行對照實驗）;②不同pH對某植物材料中過氧化氫酶活性的影響;③探究某植物材料中過氧化氫酶的最適pH（由定性觀察上升到定量實驗）。

4.3對實驗方案的改進

實驗試劑與器材包括：u型氣壓計，pH計，電腦，秒表，u型試管，錐形瓶，注射器，橡膠管，橡膠塞，玻璃管，止水夾，鐵架臺，研缽，過氧化氫溶液（3%），鹽酸，NaOH溶液，酸性（pH=6）、中性（pH=7）及堿性（pH=8）的緩沖液，新鮮豬肝，馬鈴薯，香蕉，胡蘿卜，紅墨水等。

4.3.1對實驗材料進行改進

教師指導學生利用給出的儀器組裝實驗裝置（圖1），完成探究①“比較不同植物中過氧化氫酶的活性”。裝置的U型管內(nèi)裝有適量紅墨水，兩側(cè)各連接一個相同的錐形瓶，各裝有20 mL不同植物組織的研磨液。錐形瓶上方各連接一個相同的注射器，內(nèi)裝有2 mL體積分數(shù)為3%的過氧化氫溶液。

實驗開始前，學生利用已有的化學知識進行氣密性檢查，并巧妙設(shè)計了檢查方法：利用其中一個注射器向空的裝置內(nèi)注射一定量的空氣。一段時間后，液面保持不變，說明氣密性良好，可以進行實驗。實驗開始后，將注射器中的過氧化氫溶液同時注射到錐形瓶中，輕輕搖勻。一段時間后，觀察液面的高度差，由此可確定哪種材料中過氧化氫酶的活性較高。

在該過程中，教師注意引導學生思考：①本實驗的自變量是什么？②如何排除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的影響？例如，用打孔器將植物材料打出均勻的長條并截取相同長度進行研磨，在研磨過程中加入等體積的蒸餾水，注射器中要裝入等體積等濃度的過氧化氫溶液等。

通過該u型管裝置，學生可以比較出不同組織中過氧化氫酶的活性，依次為肝臟>馬鈴薯>香蕉>胡蘿卜（圖2）。因此，選擇馬鈴薯作為最佳實驗材料，進行接下來的實驗探究。

4.3.2對實驗裝置進行改進

教師提出問題：馬鈴薯中的過氧化氫酶在酸性（pH=6）、中性（pH=7）和堿性（pH=8）條件下的催化效率會發(fā)生怎樣的變化？并指導學生利用氣壓計進一步改進實驗裝置（圖3）。u型氣壓計內(nèi)裝有少量紅墨水，初始液面在0刻度線處，一段與外界空氣相通，另一端通過橡膠管與錐形瓶相連，內(nèi)裝有10 mL某種pH的緩沖液和10 mL馬鈴薯研磨液。錐形瓶上方注射器內(nèi)裝有2 mL體積分數(shù)為3%的過氧化氫溶液。在用注射器注入一定體積的過氧化氫溶液時，會對氣體體積的測量造成影響，為消除該影響，在u型氣壓計和錐形瓶之間通過一個Y型玻璃管增加了一個止水夾。另外，由于酶具有高效性，為防止反應過于劇烈，水從氣壓計管道中沖出，應將馬鈴薯研磨液稀釋至10%。

實驗開始前，同樣用空氣注射法檢查裝置氣密性。實驗開始時，先打開止水夾，將過氧化氫溶液注射進去，再迅速關(guān)閉止水夾，記錄15 s后氣壓計的讀數(shù)，即過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣的體積。重復實驗后，依次測定其他pH條件下氧氣的體積。這樣，由定性觀察上升為定量分析，完成了探究②“不同pH對馬鈴薯中過氧化氫酶活性的影響”。本實驗最主要的目的是作為接下來探究最適pH的預實驗。

4.3.3對實驗實施的具體條件進行改進

教師指導學生利用pH計，改進實驗條件，進一步縮小pH梯度，依次測定不同pH條件下過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣的體積，然后利用電腦軟件繪制成曲線圖，得出馬鈴薯最適pH約為6.4。

4.4匯報成果。交流討論

此外，學生還對胡蘿卜、香蕉和豬肝中過氧化氫酶的最適pH做了探究，并進行匯報交流。

教師提出問題：利用酶的特性可以服務于我們生活嗎？并展示多酶片的資料，引導學生思考多酶片分層包衣片的作用。這樣可以讓學生深刻體會生物學的美，培養(yǎng)“生物就在身邊”的情感態(tài)度。

5教學反思

以馬鈴薯為實驗材料，易取材、易儲存且易研磨，實驗效果好。用U型試管裝置做對照試驗，現(xiàn)象非常明顯。通過U型氣壓計液面高度差，來測定氧氣的體積，科學且準確。

倡導探究性學習是高中生物學課程標準理念之一。開展探究性學習有利于構(gòu)建科學知識，有利于激發(fā)學生創(chuàng)新意識、培養(yǎng)實踐能力，有利于培育科學思維、科學探究等生物學學科核心素養(yǎng)。同時，探究性實驗也是每年高考必考且難度最大的一個考點。探究性實驗將學生的自主探究與高考目標要求中實驗設(shè)計能力培養(yǎng)相融合，讓學生從探究中訓練思維邏輯，獲得解決問題的方式，培養(yǎng)團隊合作精神，對于提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)有重要的意義。