楊彩云 沈 璟

（北京市對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100102）

生命科學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)有利于發(fā)揮學(xué)生的主體性地位，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與整個(gè)教學(xué)過(guò)程，學(xué)生從中學(xué)會(huì)觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)在教師的引導(dǎo)下，在探究過(guò)程中主動(dòng)地對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究。本節(jié)課充分挖掘教材中可探究點(diǎn)，以分組教學(xué)的方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)生在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中主動(dòng)提出問(wèn)題，不但有利于學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)體系，學(xué)習(xí)生物科學(xué)的研究方法，體會(huì)科學(xué)研究的一般過(guò)程，同時(shí)有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

1 “探究影響酶活性的條件”面臨的難點(diǎn)

新課程標(biāo)準(zhǔn)指出，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)課程的特點(diǎn)，也是生物學(xué)教學(xué)的基本形式之一，為更好地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師在重視定性實(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)［1］。傳統(tǒng)的“探究影響酶活性的條件”實(shí)驗(yàn)為定性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)酶的最適條件只有非常粗淺的認(rèn)識(shí)，無(wú)法體會(huì)教材中相應(yīng)的曲線是如何獲得的，也無(wú)法將曲線與實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)。為解決該問(wèn)題，教師改進(jìn)原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)設(shè)置多個(gè)溫度點(diǎn)（0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃）， 以及 pH 值（2、4、7、9、12）， 實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的精確控制，同時(shí)用分光光度計(jì)及注射器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行精確測(cè)量，引領(lǐng)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)初始就以科學(xué)家的視角思考問(wèn)題，體會(huì)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式，從而養(yǎng)成科學(xué)的研究態(tài)度。

1.1 淀粉溶液的溶解度問(wèn)題 本實(shí)驗(yàn)中采用分光光度計(jì)測(cè)定最終剩余淀粉含量的吸光值。分光光度計(jì)主要用于檢測(cè)溶液中吸光度的變化。根據(jù)朗伯-比爾定律，當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度b成正比，控制吸收層厚度b，便可根據(jù)吸光度的變化確定待測(cè)物質(zhì)的濃度。因此，為了獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要使用淀粉溶液進(jìn)行測(cè)量。由于實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)有普通淀粉為非可溶性淀粉，普通淀粉在常溫下溶解度很小，其水溶液無(wú)法使碘液變藍(lán)。經(jīng)過(guò)反復(fù)摸索發(fā)現(xiàn)，將一定量的普通淀粉溶于沸水，再冷卻可以獲得淀粉溶液。

1.2 高溫下淀粉遇碘不變藍(lán) 研究表明，高溫時(shí)淀粉遇碘不變藍(lán)，只有冷卻后才能恢復(fù)藍(lán)色，可能是由于熱運(yùn)動(dòng)使螺旋卷曲的淀粉分子伸長(zhǎng)，無(wú)法形成成串的淀粉-碘分子絡(luò)合物，藍(lán)色消失；冷卻后淀粉恢復(fù)螺旋卷曲狀，再次與碘分子形成成串的淀粉-碘絡(luò)合物，溶液再次呈現(xiàn)出藍(lán)色［2］。為解決上述問(wèn)題，需要將試管置于常溫水浴中2 min。由于常溫下淀粉被淀粉酶水解較慢，在一定時(shí)間內(nèi)可保持穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)所有試管進(jìn)行相同處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎不受影響，具有較好的可重復(fù)性。

1.3 溶液濃度的確定 由于溫度對(duì)酶活性的影響，實(shí)驗(yàn)需要使用分光光度計(jì)在680 nm波長(zhǎng)下進(jìn)行定量，而分光光度計(jì)具有一定量程，因此前人的淀粉溶液、淀粉酶溶液、過(guò)氧化氫溶液的濃度均需重新確定，經(jīng)過(guò)前期大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)確定：α-淀粉酶溶液濃度為0.01 g／L，淀粉溶液濃度為0.08 g／L，過(guò)氧化氫溶液濃度為5%，碘液用75%酒精溶解至飽和，過(guò)氧化氫酶采用新鮮研磨的肝臟勻漿。

1.4 氧氣的定量 由于pH對(duì)酶活性的影響實(shí)驗(yàn)也設(shè)計(jì)為定量實(shí)驗(yàn)，需要對(duì)氧氣進(jìn)行收集并測(cè)定；根據(jù)前人的研究［3］，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用注射器收集氧氣、注射器上的刻度用于測(cè)量氧氣的量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。為了使學(xué)生獲得明顯的實(shí)驗(yàn)效果，教師經(jīng)過(guò)前期大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)，最終確定pH值分別為 2、4、7、9、12 時(shí)，具有較明顯的曲線。

圖1 氧氣測(cè)量裝置圖

2 學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)探究

對(duì)于知識(shí)的綜合應(yīng)用是學(xué)生能力提升的一個(gè)重要體現(xiàn)。學(xué)生在上節(jié)課已通過(guò)過(guò)氧化氫在不同條件下的分解，學(xué)習(xí)了酶的高效性及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)：自變量、因變量、無(wú)關(guān)變量、對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法和原則。在此基礎(chǔ)上，教師通過(guò)提問(wèn)的方式引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題。

2.1 教師引導(dǎo)，提出假設(shè) 教師首先通過(guò)加酶洗衣粉包裝袋引發(fā)學(xué)生的好奇心，并用一系列問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么加酶洗衣粉包裝袋上要注明洗衣粉的適用溫度范圍？許多無(wú)機(jī)催化劑能在高溫、高壓、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下催化化學(xué)反應(yīng)，生物體內(nèi)的酶能經(jīng)受住這些反應(yīng)條件嗎？酶起催化作用需要什么條件？

學(xué)生根據(jù)常識(shí)能說(shuō)出酶不能經(jīng)受高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的條件，并提出假設(shè)：溫度和pH值會(huì)影響酶的活性。

2.2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟 根據(jù)實(shí)驗(yàn)假設(shè)，教師提供實(shí)驗(yàn)材料（淀粉酶溶液、肝臟研磨液、淀粉溶液、5%的 H2O2溶液、碘液、斐林試劑），以及實(shí)驗(yàn)用具（冰塊，溫度分別為 0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃的水浴鍋，分光光度計(jì)，pH 值分別為 2、4、7、9、12 的緩沖液，試管，試管架，注射器，膠塞），并介紹分光光度計(jì)的基本原理：分光光度計(jì)可測(cè)得溶液的吸光值A(chǔ)（物質(zhì)對(duì)光的吸收程度），吸光值A(chǔ)越大則溶液濃度越大。學(xué)生根據(jù)教材的提示自主選擇實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)用具，分組討論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究溫度和pH值對(duì)酶活性的影響。

由于高一年級(jí)學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不長(zhǎng)，思維的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性仍有待提高，經(jīng)常會(huì)忽略很多實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的細(xì)節(jié)，而“探究影響酶活性的條件”需要運(yùn)用多種科學(xué)探究原則，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，這就需要教師在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中啟發(fā)學(xué)生。在本節(jié)課中，教師通過(guò)“酶與底物是分別保溫并置于相應(yīng)pH值條件下，還是混合后再保溫并置于相應(yīng)pH值條件下”“能否用過(guò)氧化氫酶探究溫度對(duì)酶活性的影響、用淀粉酶探究pH值對(duì)酶活性的影響”等問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考，逐步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式。

最終在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生確定了實(shí)驗(yàn)步驟（表 1、表 2）。

表1 溫度對(duì)α-淀粉酶活性的影響實(shí)驗(yàn)步驟

表2 pH值對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響實(shí)驗(yàn)步驟

2.3 實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施，觀察記錄數(shù)據(jù) 學(xué)生分成2個(gè)大組，一組探究溫度對(duì)淀粉酶活性的影響，另一組探究pH值對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響。由學(xué)生自己設(shè)計(jì)表格記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制相關(guān)曲線圖。本實(shí)驗(yàn)中學(xué)生得到表3和表4所示數(shù)據(jù)。

表3 不同溫度下剩余淀粉含量

表4 不同pH值條件下產(chǎn)生的O2含量（單位：mL）

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型 教師帶領(lǐng)學(xué)生分析：數(shù)據(jù)并不直觀，為了使數(shù)據(jù)直觀應(yīng)該怎么辦？學(xué)生很容易能想到將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曲線的方式，根據(jù)表3學(xué)生可得圖2a中的曲線，教師引導(dǎo)“測(cè)得的吸光值指示的是各溫度下藍(lán)色溶液的濃度，該藍(lán)色溶液是什么？是剩余淀粉與碘產(chǎn)生的藍(lán)色溶液，還是消耗了的淀粉與碘產(chǎn)生的藍(lán)色溶液？”學(xué)生很快能明白被淀粉酶水解消耗了的淀粉是無(wú)法與碘產(chǎn)生藍(lán)色的，故吸光值指示的是各溫度下剩余淀粉的含量。教師在此基礎(chǔ)上繼續(xù)引導(dǎo)，“酶的活性是由剩余淀粉含量還是消耗淀粉含量反映的？即是剩余淀粉含量越多表明酶的活性越高，還是消耗淀粉含量越多表明酶的活性越高？”學(xué)生經(jīng)過(guò)分析可得知酶的活性是由淀粉的消耗量反映的，故需要用總淀粉量的吸光值減去剩余淀粉的吸光值，得出消耗淀粉的吸光值，消耗淀粉的吸光值越大則酶的活性越高，得出圖2b。該轉(zhuǎn)換過(guò)程考查了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度，使學(xué)生更加深刻地體會(huì)到知識(shí)需要在理解的基礎(chǔ)上靈活應(yīng)用而不是死記硬背。同時(shí)，教師指出酶活性的測(cè)量并不是簡(jiǎn)單的A值相減，需要用標(biāo)準(zhǔn)溶液確定底物消耗量或者生成物的多少，從而計(jì)算出酶活性。

為了讓學(xué)生進(jìn)一步理解曲線的含義，教師在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，將事先準(zhǔn)備好的0℃和100℃保溫后的酶，在最適溫度下保溫10 min后加入相應(yīng)溫度的淀粉溶液保溫5 min，然后進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)：加入1 μL碘液，發(fā)現(xiàn)0℃保溫的淀粉酶幾乎沒(méi)有顏色，而經(jīng)100℃保溫的淀粉酶仍然有很深的藍(lán)色。引導(dǎo)學(xué)生思考：出現(xiàn)此現(xiàn)象說(shuō)明什么，為什么？學(xué)生討論后得出，0℃時(shí)，酶的活性受抑制，當(dāng)重新處于最適溫度時(shí)，酶的活性可以恢復(fù)；當(dāng)酶在100℃時(shí)，酶的空間結(jié)構(gòu)破壞從而失去活性，重新處于最適溫度時(shí)酶的活性無(wú)法恢復(fù)。

圖2 溫度和pH值對(duì)酶活性的影響

教師將事先準(zhǔn)備好的pH=2和pH=12條件下的肝臟研磨液，加入適量的NaOH和HCl溶液使其pH值調(diào)節(jié)到7，并將針頭膠塞組合塞入有過(guò)氧化氫溶液的試管中（圖1），同時(shí)按下針筒，發(fā)現(xiàn)二者幾乎都沒(méi)有產(chǎn)生氣泡。引導(dǎo)學(xué)生思考：將pH=2和pH=12條件下的過(guò)氧化氫酶調(diào)節(jié)到pH=7，為什么幾乎不產(chǎn)生氣泡？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論后得出，在過(guò)酸、過(guò)堿的條件下，都會(huì)使酶的空間結(jié)構(gòu)破壞而永久失去活性。

在此基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步引導(dǎo)，高溫、低溫、過(guò)酸和過(guò)堿對(duì)酶活性的影響本質(zhì)相同嗎？學(xué)生發(fā)現(xiàn)，高溫、低溫、過(guò)酸和過(guò)堿對(duì)酶活性的影響是不同的，過(guò)酸、過(guò)堿及高溫使酶的空間結(jié)構(gòu)破壞而永久失活；低溫抑制酶的活性，但在適宜溫度下活性可以恢復(fù)。

3 總結(jié)與反思

“影響酶活性的條件”是“酶的特性”一節(jié)中的重要內(nèi)容。本節(jié)課利用科學(xué)探究進(jìn)行教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，鍛煉學(xué)生知識(shí)遷移的能力，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、探究影響酶活性的條件，有利于學(xué)生理性思維的提高。

1）以實(shí)驗(yàn)探究為手段，學(xué)生在問(wèn)題的引導(dǎo)下，通過(guò)小組合作，主動(dòng)參與溫度和pH值對(duì)酶活性影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施過(guò)程，不僅提高了學(xué)生的科學(xué)思維能力和動(dòng)手能力，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生從事實(shí)出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上作出合理的、科學(xué)的解釋，有利于學(xué)生證據(jù)意識(shí)的形成。

2）引入生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的科學(xué)儀器——分光光度計(jì)，不但有利于學(xué)生了解分光光度計(jì)的相關(guān)原理及應(yīng)用，同時(shí)使本次實(shí)驗(yàn)由定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向定量實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的科學(xué)研究過(guò)程，培養(yǎng)其科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。

3）學(xué)生通過(guò)獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)生成曲線，提高了成就感，變得更加主動(dòng)，并能分析相關(guān)曲線，在獲得生物學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，提高了觀察、實(shí)踐、探究、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析能力。

4）本節(jié)課作為實(shí)驗(yàn)探究課，具有較強(qiáng)的可重復(fù)性及可操作性。

本節(jié)課仍然有許多不足之處，例如在數(shù)據(jù)處理方面，不同溫度和不同pH值的數(shù)據(jù)中每個(gè)溫度點(diǎn)和pH值都有3個(gè)平行樣，可計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差以評(píng)估數(shù)據(jù)間的離散程度；教師解釋“0℃酶活性被抑制”這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能直觀觀察到，但是如果時(shí)間充裕，可以讓學(xué)生自己動(dòng)手探究，體驗(yàn)科學(xué)探究的魅力，讓知識(shí)從抽象到具體、從表面到深層，同時(shí)有助于發(fā)展學(xué)生獨(dú)立思考、合作探究的能力。