趙 竹 （北京師范大學實驗華夏女子中學 北京 100032）

生命是物質運動的最高形式。在生命物質體系中，蛋白質是生命體現(xiàn)者，蛋白質結構的復雜性是其承載生命活動的基礎。為了促使學生深入理解蛋白質結構與功能之間的關系，在研究性學習活動中，筆者引導學生實驗探究蛋白質變性或沉淀的原因及其影響因素，取得良好的實驗教學效益。

1 問題提出

《全日制普通高中生物課程標準》中指出，“分子與細胞”模塊課程內容的價值在于：幫助學生較深入地認識生命的物質基礎和結構基礎，理解生命活動中物質的變化、能量的轉換和信息的傳遞，以及細胞更新的方式。 尤其強調蛋白質和核酸等生物大分子對生命活動的重要性及其變化。

不同版本的高中生物學教材都描述了蛋白質的重要性，例如“一切生命活動都離不開蛋白質，蛋白質是生命活動的主要承擔者”“蛋白質在生物體中的作用非常重要”“生物體的一切生命活動都與蛋白質有關”。 浙科版教材還提到“蛋白質的每種特定功能都與其特定的結構有關”。 可見，蛋白質是高中生物學課程內容的重點之一。

蛋白質屬于生物大分子，其結構層次復雜，易受環(huán)境因素影響發(fā)生改變，從而影響其化學性質和生理功能。在蛋白質化學知識體系中，結構、性質和功能三者的關系概括如圖1。 但囿于教學時間、學生認知水平等限制，高中生物學教材對蛋白質空間結構穩(wěn)定性的闡述有限，也沒有介紹蛋白質性質及其影響因素。 這樣，學生對蛋白質功能處于機械記憶的狀態(tài)，難以認識和理解蛋白質結構與功能之間的關系，不利于發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

為了更好地培養(yǎng)學生的理性思維、 科學探究和實踐能力，將“蛋白質變性與沉淀”作為一項實驗研究課題，引領學生自主探究蛋白質變性或沉淀的原因及其影響因素，并嘗試將蛋白質變性原理應用于制作某種食品的實踐活動中。

2 實驗方案設計

蛋白質化學研究得知，天然蛋白質分子是由肽鏈組成的，一條或多條肽鏈呈現(xiàn)的規(guī)則而緊密排列的結構形式，是由氫鍵及其他次級鍵維持的，氫鍵等次級鍵一旦被破壞，天然蛋白質結構就變?yōu)椴灰?guī)則而松散的排列方式，變性蛋白質分子聚集或纏結在一起而凝固或結絮。 蛋白質溶液也會因加酸、堿、醇、中性鹽、重金屬鹽等，降低其溶解度而形成蛋白質沉淀。

誘發(fā)蛋白質變性或沉淀的因素很多，從高一學生的知識基礎和生活經(jīng)歷出發(fā)，筆者選擇高溫、重金屬離子、酒精、酸性物質（pH）等因素，設計了4組誘發(fā)蛋白質性質改變的開放性實驗活動，以及探討豆腐制作原理的實踐活動，鼓勵學生利用課余時間到實驗室自主選擇并完成某些探究性實驗活動。

2.1 溫度對蛋白質性質的影響

2.1.1 實驗1：燙發(fā)

1）實驗原理：頭發(fā)的主要成分是角蛋白，其結構中含有連接肽鏈的硫鍵，高溫使硫鍵斷裂而改變結構形式，直順的毛發(fā)呈卷曲狀，遇水后角蛋白結構又會重新組合而恢復原狀。

2）材料設備：卷發(fā)棒、噴壺、吹風機。

3）方法步驟：學生2 人一組，一位學生為另一位同伴燙發(fā)。 具體操作過程：事先將卷發(fā)棒加熱到130℃，隨意燙出心怡的形狀，再用吹風機冷風定型；用噴壺噴水，木梳梳頭，吹干后觀察頭發(fā)的形態(tài)。

4）注意事項：卷發(fā)棒的溫度應設置為130℃，過高頭發(fā)會燙焦，過低無法改變頭發(fā)的結構，導致燙發(fā)失敗。

2.1.2 實驗2：探究不同溫度對蛋白液的影響

1）實驗原理：不同溫度對生雞蛋蛋白液的影響不同，在75℃以上條件下，卵清蛋白變?yōu)榈鞍讐K而凝固。 蛋白質的熱變性主要是肽鏈受熱引起氫鍵破壞的結果。

2）材料設備：雞（鴨）蛋2 個、碗1 個、湯匙1個、 恒溫水浴鍋、250 mL 燒杯4 個、20 mL 試管4支、油性標記筆1 支、刻度吸液管1 支。

3）方法步驟：①用記號筆在4 支試管上分別做A、B、C、D 標記；②破碎雞蛋殼，將蛋清和蛋黃傾入碗里。用湯匙蔽住蛋黃，用刻度吸液管吸取卵蛋白液；③分別向4 支試管注入等量的卵蛋白液；④按下列方案（表1）對樣品依次進行恒溫水浴處理10 min，然后比較觀察各個試管中蛋白質狀態(tài)，并記錄；⑤分析實驗數(shù)據(jù)，得出相應結論。

表1 探究溫度影響蛋白質性質的實驗方案

4）注意事項：恒溫水浴鍋的使用要從60～80℃依次遞增，嚴格控制溫度值及其處理時間。

2.2 重金屬對蛋白質性質的影響

1）實驗原理：蛋白質分子在堿性溶液中帶負電荷，可與重金屬離子（Zn2+、Cu2+、Hg2+、Pe2+、Fe3+）作用，結合成不溶性鹽而沉淀。若發(fā)生飲食鉛中毒或汞中毒時，及時飲用蛋清液等，蛋白質與重金屬離子結合引起嘔吐，有解毒作用。

2）實驗材料和試劑:水、蛋清、豆?jié){、牛奶、4 支試管、試管架、大燒杯、4 支膠頭滴管、量筒、0.1 mol/L硝酸鉛溶液或硫酸銅溶液

3）方法與步驟:①用記號筆在4 支試管上分別做A、B、C、D 標記； ②分別向4 支試管注入等量（2 mL）的水、蛋清、豆?jié){、牛奶；③按下列方案（表2）向各個樣液分別滴加濃度為0.1 mol/L 的硝酸鉛溶液0.5 mL，充分搖勻；④比較觀察各個樣液中發(fā)生沉淀的現(xiàn)象，并記錄。

表2 探究重金屬離子影響蛋白質性質的實驗方案

4）注意事項：重金屬有毒，操作需小心，若濺到皮膚上，立即用清水反復沖洗。 也可改用1%硫酸銅溶液。

2.3 酒精濃度對蛋白質變性的影響

1）實驗原理：乙醇能吸水，破壞蛋白質膠粒的水化層，使蛋白質凝固或沉淀。 醫(yī)療常用75%乙醇消毒，該濃度的乙醇分子能更多地擴散到細菌體內，細菌因體內蛋白質沉淀而死亡。95%乙醇吸水力強，可使細菌體表蛋白迅速變性，形成保護膜，乙醇分子不能擴散到細菌體內，無法殺死細菌。

2）材料和試劑：蛋清、50%乙醇溶液、75%乙醇溶液、無水乙醇、4 支試管、試管架、帶刻度的塑料滴管。

3）方法與步驟: ①用記號筆在4 支試管上分別做A、B、C、D 標記； ②分別向4 支試管注入等量的蛋清液，再分別加入少許NaCl 晶體（小鹽粒）；③待鹽粒溶解后，按下列方案（表3）向各個樣液分別加入處理液2 mL；④比較觀察各個樣液中發(fā)生沉淀的現(xiàn)象，并記錄。

表3 探究不同濃度乙醇影響蛋白質性質的實驗方案

2.4 酸性物質對蛋白質性質的影響

1）實驗原理：蛋白質在酸性溶液中帶正電荷，能與帶負電荷的酸根相結合，形成溶解度小的鹽類而沉淀。 濃酸可以使蛋白質中的氫鍵斷裂，變?yōu)椴蝗苄宰冃缘鞍踪|。 加熱會加速酸化蛋白質的沉淀。

2）材料和試劑：蛋清液、不同濃度的醋酸溶液、4 支試管、試管架、膠頭滴管。

3）方法與步驟：①用記號筆在4 支試管上分別做A、B、C、D 標記； ②分別向4 支試管注入等量的蛋清液（2 mL）；③按下列方案（表4）向各個樣液分別加入不同濃度的醋酸溶液0.5 mL；④比較觀察各個樣液中發(fā)生沉淀的現(xiàn)象，并記錄在表格中。

表4 探究酸性物質影響蛋白質性質的實驗方案

2.5 探討豆腐花的制作原理 前面的實驗課題都是學生遵循實驗原理，完成規(guī)定的實驗操作活動，觀察蛋白質變性的現(xiàn)象。制作豆腐花的實踐活動，則是促使學生探究豆腐的制作原理。

1）實驗目的：參與豆腐花的制作活動，依據(jù)材料性質、凝固劑成分和制作方法等，推測豆腐花的制作原理，并用搜集的資料信息加以證實。

2）材料與用具：自制的豆?jié){、凝固劑(石膏或內酯)、電爐、奶鍋、勺、飲食器具。

3）方法步驟：①制豆?jié){：夏天將干黃豆浸泡3～4 h，冬天泡7～8 h。 泡好后將其放入豆?jié){機內制成熱豆?jié){；②點漿：按凝固劑包裝上的用量說明［一般石膏粉用量為豆?jié){量的（3～5）‰，內酯用量為（1～2）‰］，將適量的凝固劑用少量水調勻，倒入裝豆腐腦的容器內。 然后，將煮好的豆?jié){趁熱（內酯豆腐腦85℃左右，石膏豆腐腦95℃左右）沖入，沖完后用勺攪動幾下，使豆?jié){與凝固劑混合充分，但不能攪動太多太快；③墩腦：漿點好后，將容器蓋好，靜置5～10 min，即成鮮嫩可口的豆腐腦；④調味：內酯豆腐腦會有稍許酸味，石膏豆腐腦有點苦澀味。可根據(jù)自己的習慣調味。若喜歡吃甜的，也可在制漿時加入適量的白糖。

4）問題思考：

①北方人將豆腐花稱為豆腐腦。豆腐花是制作豆腐的半成品，它含有豐富的大豆蛋白質，還含有很多鈣、磷等人體所需礦物質和微量元素，可促進骨骼的成長和預防骨質疏松，特別適合兒童和老年人食用。 為什么制作豆腐花要用煮好的熱豆?jié){？

②豆腐凝固劑主要有3 種：石膏、內酯、鹽鹵。做豆腐腦主要用石膏或葡萄糖酸內酯。 為什么石膏和葡萄糖酸內酯能促使熱豆?jié){凝固？

③民間有南、北豆腐之分，北豆腐的凝固劑是鹽鹵，南豆腐的凝固劑是石膏。為什么鹽鹵能促使熱豆?jié){凝固？ 你知道使用鹽鹵制作豆腐的利與弊嗎？

5）課后作業(yè)：利用習得的有關蛋白質變性的知識，以及網(wǎng)絡等渠道搜集的現(xiàn)象，撰寫“制作豆腐花”實驗報告。

3 實驗實施

本項實驗活動的參與對象是高一對生物學實驗感興趣的學生，以及高二參與研究性學習活動的學生。學生以研究性學習活動小組為單位（每組4～5 人），利用課余或小組活動時間，到開放式實驗室在教師協(xié)助下，自主選擇和開展某些（建議3項）探究活動。 該實驗活動的具體實施方法如下。

3.1 做好實驗準備 實驗準備工作主要有2 項：①各項實驗的材料、試劑和設備；②引領學生獨立操作的實驗指導。實驗準備分為3 類：①燙發(fā)的實踐活動，安排在相對較安靜的實驗準備室里進行。②4 項探究蛋白質變性的實驗活動，分別布置在實驗室的4 個實驗臺上，既防止材料、試劑和器具的混用，又方便學生規(guī)范性操作。③制作豆腐花的實踐活動，教師提前制備熱豆?jié){和稱量凝固劑，學生實施制作過程。提前發(fā)放實驗指導，以利于各小組選擇、預習和搜集資料信息，以及協(xié)助教師完成某些實驗準備工作。

3.2 協(xié)助小組選擇 該項探究性實驗安排1 課時完成。 由于實驗內容豐富，在規(guī)定時間內，學生不能參與全部活動。 通常建議每小組在研究性活動時間內選擇2 項探究性實驗和1 項實踐活動，有興趣的學生可利用課余時間繼續(xù)實驗。

3.3 提供必要服務 彈性時間安排和持續(xù)日期長，是開放式實驗活動的特點之一。為了保證給學生的實驗探究活動提供必要的服務，實驗室提早知會學生實驗時間、 地點和必要的自我準備。 同時，要求每小組確定具體活動時間后，提前一天與實驗教師取得聯(lián)系，必要時參與某些實驗準備。

3.4 提醒規(guī)范操作 在開放性實驗室開展的研究性活動，是以學生自主探究為主，教師主要是設計、組織和協(xié)助者。 但在實驗或實踐過程中，學生會接觸到電器、熱源（恒溫水浴鍋、高溫豆?jié){）、有毒或腐蝕性試劑等，因此，教師要適當監(jiān)督學生的操作活動，并要求依照實驗指導的注意事項進行規(guī)范性操作。

3.5 開展網(wǎng)絡交流 在該項研究性學習活動中，師生共同嘗試利用電腦或手機開展網(wǎng)絡交流。 主要內容包括：①將實驗指導發(fā)到活動群里，便于學生提前預習或提出疑問； ②將實驗數(shù)據(jù)及分析結論發(fā)到群里，實驗成果共享和相互啟發(fā)；③交流網(wǎng)上搜集并加工整理的資料信息，實現(xiàn)資源共享和提高學習效率。此外，還嘗試利用網(wǎng)絡進行學習評價，以實驗成果和資料信息為評價內容，采取學生間評議與教師評定相結合的方式。 表5、圖2是學生網(wǎng)傳的一組實驗數(shù)據(jù)及分析結論。

表5 探究重金屬離子影響蛋白質性質的實驗數(shù)據(jù)及分析結論

4 教學反思

筆者是一名年輕的中學生物學科實驗員，除為一線教師充分做好實驗準備等工作外，在領導和教師的鼓勵與大力支持下，嘗試挖掘和捕捉教材中的生活信息，圍繞某個重要概念開發(fā)一些生活化、趣味性的探究學習活動。通過教學實踐體會到，實驗探索不僅有助于提高教師自身的專業(yè)素質，且有助于擴大學生的知識視野，提高學習生物學科的興趣，發(fā)展學生的生物學科核心素養(yǎng)。在深化基礎教育體制機制改革的新時期，筆者將繼續(xù)探索生物學實驗教學改革的途徑和方法。