“探究影響酶活性的條件”一節(jié)情境教學設計

楊彩云 楊遠媛 沈 璟

（1 北京市對外經(jīng)濟貿易大學附屬中學 北京 100102 2 北京市朝陽區(qū)教育研究中心 北京 100028）

學習知識是一種持續(xù)不斷的心理構建過程，教師在教學過程中引入真實情境，帶領學生親歷知識的形成過程，通過學生的切身體會，體驗發(fā)現(xiàn)的喜悅，可有效激發(fā)學生對知識的求知欲。學生經(jīng)過探究學習而獲得對客觀世界的認識，有利于深入理解和掌握科學知識，逐步走向本質的探索。生物學學科核心素養(yǎng)明確提出“著眼于學生適應未來社會發(fā)展和個人生活的需要，從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)”［1］。在“探究影響酶活性的條件”一節(jié)教學中，以生活中菠蘿“蜇嘴”這一現(xiàn)象作為切入點，將教材知識融入到實際問題的解決中，將研究“菠蘿‘蜇嘴’怎么辦”作為明線，實則探究影響酶活性的因素；通過探究溫度對酶活性的影響，學會應用實驗設計的原則，并建立科學探究的一般方法和步驟，最終運用科學思維解決生活中的問題。

1 教材分析

“探究影響酶活性的條件”是人教版高中生物學教材必修1《分子與細胞》第5 章第1 節(jié)“降低化學反應活化能的酶”的內容，課程標準要求說明酶活性受到環(huán)境因素（例如pH 值和溫度等）的影響，并建議探究影響酶活性的因素。本節(jié)內容包括溫度和pH 值對酶活性的影響等原理性知識點，以及應用實驗原則設計實驗方案等問題解決性知識點。這一部分內容建立在細胞學知識的基礎上，同時酶是生物體進行新陳代謝不可缺少的條件，為后續(xù)學習ATP、光合作用和呼吸作用等內容做好鋪墊，起著承上啟下的作用。學生通過有關酶的探究性學習活動獲得的技能，對進一步學習生物技術實踐等知識起到保障作用。本節(jié)內容對學生潛在的知識和能力要求較高，學生學會應用上一節(jié)有關實驗的知識：自變量、因變量和無關變量，進行實驗設計，對學習整個高中生物學實驗起著非常關鍵的作用。

圖1 酶活性及其影響因素的知識結構圖

2 教學目標

1）通過對菠蘿“蜇嘴”這一生活現(xiàn)象的分析，理解細胞中幾乎所有的化學反應都是由酶催化的，學會運用生物學知識、證據(jù)和邏輯解決生活中的實際問題。

2）通過評價實驗方案，學會控制變量的科學方法，能設置自變量、控制無關變量、觀察和檢測因變量，從中學會如何基于實驗原則和邏輯分析作出合理的判斷。

3）根據(jù)獲得的真實數(shù)據(jù)生成曲線，并通過分析相關曲線，說明溫度對酶活性的影響，培養(yǎng)分析、歸納和總結實驗數(shù)據(jù)的能力。

4）通過小組合作完成溫度對菠蘿酶活性影響的實驗，體驗科學探究的一般過程，掌握科學探究的思路和方法，發(fā)展團隊協(xié)作的能力。

3 教學策略的選擇及教學流程設計

本節(jié)課的教學難點為：1）“溫度對酶活性影響”實驗的設計；2）高、低溫對酶活性影響的本質。美國教育心理學家布魯姆將教育目標分為6 個層次：識記、理解、應用、分析、評估和創(chuàng)造。高一學生剛開始接觸對照實驗設計的方法和原則，應用相關知識解決問題的能力及知識遷移能力尚不足，還無法達到“創(chuàng)造”的層次，因此，為突破教學難點1，教師首先引導學生分析實驗自變量和因變量，然后給出2 個實驗方案，學生通過分組討論對實驗方案進行評價，不僅為學生的學習搭建充足的臺階，同時培養(yǎng)學生獲取、分析及判斷信息的能力。為解決難點2，教師首先引導學生對高、低溫對酶活性影響的本質作出假設并設計實驗驗證，然后展示經(jīng)高、低溫處理后酶活性的實驗結果，學生通過分析實驗結果，能直觀地理解高、低溫影響酶活性本質的不同。

根據(jù)科學研究的一般思路，本節(jié)課設計從情境中發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、設計實驗、實施并驗證假設、分析數(shù)據(jù)，最后交流討論得出結論。問題解決作為高階思維能力，是學生發(fā)展的核心能力。為提高學生知識遷移和問題解決能力，在得出溫度對酶活性影響的規(guī)律后，讓學生應用相關知識自主探究“生活中鹽水浸泡菠蘿”的科學性，最終引導學生歸納總結得出科學探究的一般步驟，具體教學流程如圖2 所示。

圖2 教學流程示意圖

4 教學過程

4.1 設置情境，合理假設 在上課之前，教師事先為學生準備“蜇嘴”的菠蘿讓學生品嘗，學生在吃菠蘿的過程中體會到刺嘴的痛感。教師引導“生活中將這種輕微的痛感稱為‘蜇嘴’”，進而提出本節(jié)課的課題——菠蘿“蜇嘴”怎么辦？并出示資料1。

資料1：研究表明，菠蘿含有一種稱為菠蘿蛋白酶的物質。菠蘿蛋白酶可分解蛋白質，使其變?yōu)樾》肿佣嚯幕虬被?。當人們將菠蘿放入口中時，蛋白酶就會分解口腔中脆弱的黏膜，從而產生輕微的痛感。

學生通過資料1，了解菠蘿“蜇嘴”是由于菠蘿蛋白酶的作用，教師提問：為什么新鮮菠蘿“蜇嘴”而菠蘿罐頭不“蜇嘴”？學生通過生活常識能很快意識到菠蘿罐頭經(jīng)過高溫處理，很可能是高溫使菠蘿蛋白酶失活從而不再“蜇嘴”，由此提出假設：溫度會影響菠蘿蛋白酶的活性。

4.2 設計實驗，證實假設 通過上面的分析可知，本實驗的目的是探究溫度對菠蘿蛋白酶活性的影響。教師講解實驗原理［2］（圖3）并提問：如何測定菠蘿蛋白酶的活性？學生經(jīng)思考發(fā)現(xiàn)，可通過測定反應物的消耗量或產物的生成量反映酶的活性，因此，可測定酪蛋白的消耗量或酪氨酸的生成量。教師補充必要的實驗原理，將問題分解成學生能理解和完成的問題，學生從中掌握解決問題的思路和方法，構建探究酶活性的研究模型。

圖3 菠蘿蛋白酶活性測量的實驗原理

高一學生剛學習實驗設計的原則，對于原則的應用仍然存在問題，因此，本節(jié)課教師先給出2個實驗設計方案（圖4），一方面培養(yǎng)學生分析、表達及評價的能力，另一方面起到示范、引領的作用，為學生后續(xù)自主設計實驗搭建腳手架。

圖4 溫度對菠蘿蛋白酶活性的影響實驗方案比較

學生在評價的過程中發(fā)現(xiàn)，方案2 中對照組的設置要優(yōu)于方案1，因為方案2 對照組與實驗組加入的3 種物質相同，僅改變了加樣的順序，對照組加入菠蘿蛋白酶后再加入三氯乙酸，此時三氯乙酸將菠蘿蛋白酶沉淀，菠蘿蛋白酶失活，因此，方案2 中實驗組和對照組的變量為菠蘿蛋白酶的活性，從而減少了誤差。教師引導學生討論方案1 和方案2 中的實驗步驟，是先將酪蛋白、菠蘿酶分別保溫再混合，還是先將酪蛋白、菠蘿蛋白酶混合后再保溫？學生經(jīng)討論后發(fā)現(xiàn)，如果先混合，在混合的一瞬間菠蘿蛋白酶開始水解酪蛋白，此時溫度尚未到達設置的反應溫度，因此，應先在相應的溫度下保溫，當達到設置的反應溫度后再將酪蛋白、菠蘿蛋白酶混合。

4.3 分析數(shù)據(jù)，揭示原理 因課堂時間有限，為了讓學生參與實驗過程，親眼看到實驗結果，教師事先準備好在0℃、40℃、80℃條件下反應產生的酪氨酸，學生加入福林酚試劑，對不同溫度下產生的酪氨酸進行顯色，結果能很明顯地觀察到在40℃溶液顏色較深。通過pH 試紙需要與比色卡進行比對，學生能很快明白可利用比色法將溶液顏色轉變成數(shù)值。為便于直觀分析，教師引導學生在坐標紙上描點，并將數(shù)值轉換成曲線，各小組在黑板上展示數(shù)值和曲線。教師繼續(xù)提問:每個小組繪制的曲線有差別應怎么辦？根據(jù)平行重復原則，學生發(fā)現(xiàn)各小組的同一溫度點相當于平行樣，因此，可取平均值以減小誤差。此時，教師出示興趣小組做的在0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃條件下的實驗結果。學生發(fā)現(xiàn)當設置的溫度梯度變小時，有些溶液顏色難辨深淺。教師借機介紹分光光度計測量溶液濃度的原理，并展示興趣小組最后得到的曲線（圖5）。

圖5 不同溫度對菠蘿蛋白酶活性的影響曲線

通過觀察曲線，學生發(fā)現(xiàn)曲線有一個最高點，此時菠蘿蛋白酶活性最高，從而主動構建“最適溫度”的概念。教師提問：能否說40℃是菠蘿蛋白酶的最適溫度？學生發(fā)現(xiàn)實驗設置的溫度跨度太大，需要進一步實驗才能確定最適溫度。通過分析，學生得出結論：在最適溫度下，菠蘿蛋白酶活性最高。溫度偏高或偏低都會影響菠蘿蛋白酶的活性?！案邷睾偷蜏貙γ富钚缘挠绊懕举|相同嗎？如何證明？”教師引導學生進一步深挖實驗數(shù)據(jù)，探究高溫、低溫對酶影響的本質，通過組內交流、組間互動，促進學生深入思考，并以此提出假設。教師展示興趣小組的實驗結果進行驗證，培養(yǎng)學生的證據(jù)意識。

4.4 應用原理，解決問題“生活中用鹽水浸泡菠蘿，其作用原理是否一樣？如何驗證？”通過之前“探究溫度對菠蘿蛋白酶活性的影響” 的示范引領作用，結合真實情境，檢測學生運用科學知識分析、解決實際問題的能力，而不是對科學知識的簡單記憶。教師展示實驗數(shù)據(jù)（圖6），學生分析數(shù)據(jù)得出結論。在此環(huán)節(jié)中，有的學生提出質疑：從曲線分析，食鹽不一定抑制菠蘿蛋白酶的活性，也有可能使其失活。教師借機提問：若要探究食鹽能否使菠蘿蛋白酶失活，應該如何設計實驗？此問題仍然考查學生的實驗設計及分析能力。若時間不充裕，也可作為課后思考題。現(xiàn)代心理學認為，一切思維都是從問題開始的。學生思維能力的培養(yǎng)，應當從問題意識的培養(yǎng)入手。成功的教學應當是使學生產生問題意識并能自主解決問題［3］。本環(huán)節(jié)中學生自主提出問題并解決，可見是一次成功的教學。

圖6 不同鹽濃度對菠蘿蛋白酶活性的影響曲線

由于pH 值對酶活性的影響曲線與溫度對酶活性的影響曲線的趨勢一致，因此，本節(jié)課重點分析了溫度對酶活性的影響。最后，通過“還有哪些方法能防止菠蘿‘蜇嘴’”這一問題，小結使酶失活的方法。學生結合之前的預習及生活常識，知道過酸或過堿也能使酶失活，因此，提出加鹽、加開水、加醋（酸）、加小蘇打（堿）都能防止菠蘿“蜇嘴”。此環(huán)節(jié)有利于學生擴展知識的應用，提高舉一反三的能力。

4.5 歸納總結，拓展提高 最后，教師引導學生總結得出科學探究的一般步驟：提出問題、作出假設、設計并實施實驗、分析數(shù)據(jù)、合作交流、得出結論，從而構建解決問題的一般思路和方法。哪種方法處理的菠蘿風味最佳？教師準備了經(jīng)相應處理的菠蘿，請學生課后品嘗并投票，從而驗證是否經(jīng)過這些處理后菠蘿就不再“蜇嘴”了。

5 教學反思

本節(jié)課是在新情境中，基于生活問題引入，全篇貫穿真實問題的解決。從真實問題中提煉關鍵信息，融入酶的特性等相關知識，最終用于真實問題的解決。學生從一開始面對生活問題的無從下手，到面對真實復雜問題，逐層分析，剝離現(xiàn)象看本質；不但在解決真實問題中學會了新知識，同時掌握了研究科學問題的一般思路和方法。從建構主義學習理論的角度分析，學生若能從中體驗到活動的意義，切身感受到知識構建的魅力所在，逐漸構建自己的思維模式，他們在學習過程中，則會更加主動，最終達到加速知識內化的效果。

需要指出的是，探究“溫度對酶活性的影響”有2 種方法：一種是將酶與底物混合后，在不同溫度下反應一段時間后，測定產物濃度，繪制溫度-活性曲線，確定最適溫度；另一種是將酶在不同溫度下處理一定時間，在常溫下測定酶的活性，繪制溫度-活性曲線，分析酶的熱穩(wěn)定性。本節(jié)課使用第1 種方法進行實驗教學，但教學過程開始時設置的情境（菠蘿罐頭不“蜇嘴”）則適用于第2 種研究方法。

本節(jié)課仍然有許多可繼續(xù)探究之處，例如，食鹽對菠蘿蛋白酶是抑制作用還是使其失活？如何通過基因改造獲得不“蜇嘴”的菠蘿？可引導興趣小組課后查閱資料繼續(xù)進行探究。