例談高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的定量改進(jìn)

劉文奇

摘要 借助選修課本中相關(guān)實(shí)驗(yàn)的原理和方法，將“檢測(cè)生物組織中的蛋白質(zhì)”和“探究溫度對(duì)酶活性的影響”兩個(gè)定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為定量實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力，有效發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維，落實(shí)了學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞? 定量實(shí)驗(yàn)蛋白質(zhì)檢測(cè)酶活性核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào) G633.91???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號(hào)：1003-7586（2023）03-0068-03

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要抓手，也是落實(shí)教學(xué)過程重實(shí)踐的基本途徑和方法之一。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2022年修訂）》給出的教學(xué)建議中明確指出：在重視定性實(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)給學(xué)生提供機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)生物學(xué)研究中的測(cè)量方法，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)果等。將教材中的定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為定量實(shí)驗(yàn)，可增強(qiáng)知識(shí)內(nèi)容學(xué)習(xí)的可信度，促進(jìn)學(xué)生對(duì)事物本質(zhì)的理解，并強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)證意識(shí)，有助于科學(xué)探究素養(yǎng)的達(dá)成。下面以人教版《必修1·分子與細(xì)胞》中的兩個(gè)具體實(shí)驗(yàn)為例，淺談定量實(shí)驗(yàn)的案例改進(jìn)。

1 檢測(cè)生物組織中的蛋白質(zhì)

1.1實(shí)驗(yàn)分析

教材中介紹了蛋白質(zhì)檢測(cè)的基本原理、所用試劑和實(shí)驗(yàn)操作，該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、成功率高且現(xiàn)象明顯。但是這種僅限于試劑配制和結(jié)果觀察的定性實(shí)驗(yàn)，既不能很好地鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，又無法有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，定量檢測(cè)蛋白質(zhì)含量的方法通常為紫外分光光度法和考馬斯亮藍(lán)法。這兩種方法雖能進(jìn)行定量檢測(cè)，但均需借助分光光度計(jì)檢測(cè)吸光度值并對(duì)結(jié)果進(jìn)行換算，操作復(fù)雜。因此，下文借用選修課本中“亞硝酸鹽含量的測(cè)定”的實(shí)驗(yàn)原理和方法對(duì)“檢測(cè)生物組織中的蛋白質(zhì)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量改進(jìn)。

1.2教學(xué)案例改進(jìn)

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)需要先確定已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)溶液的顯色情況，接著用待測(cè)蛋白質(zhì)樣液與標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)溶液進(jìn)行比色，通過顯色的相近程度的來估測(cè)出待測(cè)樣液的濃度。具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程如下。

1.2.1創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)探究意識(shí)

教師展示資料：蛋白質(zhì)是人體生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者和體現(xiàn)者，是維持人體機(jī)能的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，人體每天需要從外界攝入一定量的蛋白質(zhì)，而日常生活中各種牛乳飲品都含有豐富的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)含量是衡量牛乳最重要的品質(zhì)指標(biāo)之一，國(guó)家《生乳》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定生鮮乳蛋白質(zhì)含量應(yīng)在2.8 g/100 g 以上。教師提出問題：市場(chǎng)上的牛乳飲品中蛋白質(zhì)含量達(dá)到這種數(shù)值了嗎？

1.2.2實(shí)驗(yàn)原理

蛋白質(zhì)含有兩個(gè)以上的肽鍵，在堿性溶液中肽鍵與二價(jià)銅離子結(jié)合，生成紫紅色絡(luò)合物的顯色反應(yīng)，其顏色的深淺與蛋白質(zhì)的含量成正比，而與蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量和氨基酸的組成無關(guān)。

1.2.3實(shí)驗(yàn)材料和器具

牛的血清蛋白、待測(cè)的伊利純牛奶（蛋白質(zhì)含量為3.0 g/100 mL）、雙縮脲試劑、電子天平、燒杯、量筒、10 mL 的比色管、吸量管等。

1.2.4實(shí)驗(yàn)步驟

①制作不同濃度的蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液：用實(shí)驗(yàn)材料和器具準(zhǔn)確配置1.0 g/mL的標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)溶液，選取11支比色管，分別加入0，0.01，0.02，0.03，0.04，……，0.1 mL 的1.0 g/mL 的標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)溶液，接著向比色管中加入3 mL 質(zhì)量濃度為0.1 g/ mL 的 NaOH 溶液并用蒸餾水定容到10 mL，混勻待用。

②制作待測(cè)的牛奶溶液：準(zhǔn)確稱取1 mL 待測(cè)牛奶加入比色管，接著向比色管中加入3 mL 質(zhì)量濃度為0.1 g/ mL 的 NaOH 溶液并用蒸餾水定容到10 mL，混勻待用。

③比色：分別向蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)的牛奶溶液中加入5滴質(zhì)量濃度為0.01 g/mL 的 CuSO4溶液，振蕩搖勻。將待測(cè)牛奶溶液與標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)溶液進(jìn)行顯色比較，再根據(jù)顯色的相近程度和已知蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，換算出待測(cè)牛奶的溶液的濃度。

1.3案例反思

該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)雖不能準(zhǔn)確測(cè)量出蛋白質(zhì)的具體數(shù)值，卻能把教材中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成可探究的定量實(shí)驗(yàn)，方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)儀器的要求不高。通過該定量實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的科學(xué)探究能力得到提升，同時(shí)還能培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度以及正確使用實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)踐能力。在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師也可引導(dǎo)學(xué)生思考為什么要對(duì)蛋白質(zhì)溶液進(jìn)行稀釋后再進(jìn)行比色，產(chǎn)生新問題，促進(jìn)高層次探究思考。

2 探究溫度對(duì)酶活性的影響

2.1實(shí)驗(yàn)分析

教材中給出了“用淀粉酶探究溫度對(duì)酶活性的影響”的實(shí)驗(yàn)建議，但未給出明確的實(shí)驗(yàn)方法和具體的實(shí)驗(yàn)步驟。通常情況下，教師會(huì)設(shè)置不同的溫度梯度，待反應(yīng)結(jié)束后向試管中滴加碘液，通過試管顏色的深淺來比較溫度的影響，但實(shí)驗(yàn)效果不明顯。教材在“進(jìn)一步探究”中建議將該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為定量實(shí)驗(yàn)，下面借助“纖維素分解菌的篩選”的原理對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量改進(jìn)，通過測(cè)量透明圈的大小來定量說明溫度對(duì)酶活性的影響。

2.2教學(xué)案例改進(jìn)

以選修課本實(shí)驗(yàn)“纖維素分解菌的篩選”中透明圈的原理為啟發(fā)，用市場(chǎng)上的涼粉代替淀粉溶液，使該酶促反應(yīng)在固體環(huán)境中進(jìn)行，接著滴加碘液后觀察淀粉被分解后形成的分解圈，通過測(cè)量分解圈直徑即可定量計(jì)算淀粉酶的活性大小。由于教材中未呈現(xiàn)分解圈的相關(guān)內(nèi)容，需要教師進(jìn)行相關(guān)的簡(jiǎn)要說明。具體實(shí)驗(yàn)過程如下。

2.2.1設(shè)置探究情境，提出探究問題

教師聯(lián)系生活實(shí)際，提出問題：為什么我們?cè)诎l(fā)燒時(shí)會(huì)出現(xiàn)渾身乏力、食欲不振等癥狀？學(xué)生交流后，教師指出人體體溫恒定是保證細(xì)胞代謝穩(wěn)定進(jìn)行的必要條件，溫度過高或者過低都會(huì)酶的活性，從而提出探究課題，請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)探究溫度影響淀粉酶酶活性的定量實(shí)驗(yàn)。

2.2.2實(shí)驗(yàn)原理

α-淀粉酶在不同的溫度下催化活性不同。將一定大小蘸有α-淀粉酶溶液的濾紙圓片放到固體的涼粉上，濾紙圓片上的淀粉酶可催化涼粉水解，待反應(yīng)完成后加入碘液檢驗(yàn)涼粉水解情況。由于濾紙圓片周圍的涼粉被水解，因此遇碘液不變藍(lán)而形成透明的分解圈，通過測(cè)量分解圈直徑的大小可定量反映酶活性。

2.2.3實(shí)驗(yàn)材料和儀器

α-淀粉酶、涼粉、蒸餾水、碘液、濾紙圓片；冰箱（或冰塊）、恒溫水浴箱、培養(yǎng)皿、燒杯、量筒、吸量管、鑷子、毫米刻度尺等。

2.2.4實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：教師預(yù)先配制好2%α-淀粉酶溶液、涼粉培養(yǎng)基、直徑為1 cm 的濾紙圓片、碘液。

①取12個(gè)潔凈的培養(yǎng)皿，分別編號(hào)1、1′、2、2′、……、6、6′，向1～6號(hào)培養(yǎng)皿中加入一定量的涼粉培養(yǎng)基；再將18個(gè)蘸有2%α-淀粉酶溶液的濾紙圓片平均分成六份，分別放入1′～6′的培養(yǎng)皿中待用。

②將1和1′號(hào)培養(yǎng)皿放置于0℃的冰箱中，2和2′號(hào)至6和6′號(hào)培養(yǎng)皿分別放置于20℃、30℃、40℃、50℃和60℃的恒溫水浴箱中，均保溫3分鐘。

③將同溫度下的濾紙圓片均勻放入對(duì)應(yīng)的涼粉培養(yǎng)基中（如，1′號(hào)培養(yǎng)皿中的濾紙圓片放入1號(hào)培養(yǎng)皿中），各自保溫10分鐘。

④待反應(yīng)完成后，分別向六個(gè)培養(yǎng)皿中加入3滴碘液進(jìn)行顯色，接著用蒸餾水輕輕洗去碘液。

⑤用毫米刻度尺測(cè)量每個(gè)分解圈直徑的大小，記錄每個(gè)培養(yǎng)皿中三個(gè)分解圈的數(shù)據(jù)，取平均值。根據(jù)透明圈的大小可定量說明溫度對(duì)酶活性的影響。

2.3案例反思

該案例對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了定量化改進(jìn)，可促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力及思維水平的發(fā)展；實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視，效果明顯，可提升學(xué)生的探究興趣；實(shí)驗(yàn)材料來自生活，容易獲得且操作簡(jiǎn)單。該實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)一步探究溫度對(duì)酶活性影響的機(jī)制，即把反應(yīng)測(cè)量后的1號(hào)培養(yǎng)皿和6號(hào)培養(yǎng)皿同時(shí)放置于適宜溫度的恒溫水浴箱中，來探究低溫抑制酶活性，高溫使酶失活的性質(zhì)。

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的學(xué)科，教師在重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，還要想方法挖掘?qū)嶒?yàn)素材，盡可能在定性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上改進(jìn)或拓展為定量實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)，提高學(xué)生科學(xué)探究能力，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展科學(xué)思維，從而真正落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：59.

[2]林建春.基于課程標(biāo)準(zhǔn)的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)——以“檢測(cè)生物組織中的蛋白質(zhì)”為例[J].中學(xué)生物學(xué)，2021，37（04）：35-37.