中美生物學教材中淀粉酶作用實驗比較研究

俞婷

1 在教材中的地位

淀粉酶是一種作用于可溶性淀粉、直鏈淀粉的水解酶，可將其水解為麥芽糖等。淀粉酶在動植物和微生物體內廣泛存在，認識淀粉酶的作用能幫助學生更好地認識酶的作用、本質和特性，因此在國內外教材中都進行了精心設計和安排研究淀粉酶作用的實驗，實驗類型也包括探究性實驗和調查實驗等多種。人教版《生物學》七年級下冊第4單元第2章“人體的營養”第2節“消化和吸收”一節中的“探究饅頭在口腔中的變化”實驗和美國生物教材《科學發現者·生物生命的動力》第35章“消化系統和內分泌系統”一章中的“淀粉酶對早餐中谷物食品的作用”實驗都研究了淀粉酶在淀粉消化中的作用。通過實驗，教師可以幫助學生從分子水平體驗和認識了酶在人體生命活動中的重要作用。

2 實驗內容的比較

2.1 實驗目標比較

中美教材實驗的知識目標基本一致，通過模擬營養物質在人體內的消化過程，理解淀粉酶對淀粉產生的影響。在情感、態度與價值觀目標方面，兩者都引起了學生對自身健康和發展的關注。在能力目標方面，兩者存在差異，人教版教材強調培養學生完善探究實驗方案的能力，而美國教材更注重培養學生測量、計算、觀察、收集和記錄數據能力。

2.2 實驗設計比較

該實驗中美教材的實驗原理一致，均采用碘液來檢測淀粉酶對淀粉的水解程度，都體現了對學生實驗設計能力的重視，但實驗類型存在差異，人教版教材中屬于探究性實驗，在美國教材中是以調查實驗的形式出現的。

人教版教材注重探究實驗的設計過程，設計了兩組對照實驗，既比較了切碎和未切碎的饅頭消化的情況，研究了物理性消化的作用；也比較了加唾液和加清水的情況，研究了化學性消化的作用。人教版教材既使學生認識到消化是一個復雜的過程，不是單靠一種消化過程得以實現的，又利用3個試管內的材料設計了2組對照實驗，節約材料，設計巧妙。在實驗計劃初步制定后，教師可讓學生通過實踐來對實驗計劃的一些細節進行修改和完善，如讓學生思考選取多大的饅頭塊，如何獲得較多的純凈唾液，以及實驗裝置在37℃的溫水中保持多長時間最合適等。這些都培養了學生設計和優化實驗方案和實施實驗的能力。

美國教材雖然只設計了一組實驗（見附錄），但也考慮得比較全面，既橫向比較了3種谷類被淀粉消化的速率的不同，學生可以認識到不同谷類組成成分的差異；同時也縱向研究了每隔30 s樣本中的淀粉被消化的情況，學生可以分析得出酶的水解作用效果與作用時間長短之間的關系。此外，美國教材提到通過控制變量來提高設計實驗方案的技能，啟發學生繼續探究淀粉酶對某一種谷類食品起作用時，是否受到溫度或pH的影響，這說明美國教材也很重視學生設計探究實驗能力的培養。

2.3 藥品器材的比較

中美教材在實驗器材的選取和使用存在一些共性，即此實驗所用的器材非常生活化和便捷化。如美國教材中各種干的谷物、研缽、濾紙、漏斗和人教版教材中的饅頭、熱水、溫度計、玻璃棒等藥品和器材大多是簡便易得的材料。本實驗最主要的實驗材料——唾液淀粉酶的來源，美國教材和中國教材存在著明顯的差異。美國教材中淀粉酶的來源是淀粉酶液，而人教版教材中淀粉酶的來源是唾液。美國教材所使用的淀粉酶，一般來自于枯草芽孢桿菌的培養、提取和加工，能迅速水解淀粉。配置成一定濃度的淀粉酶液能夠保證實驗結果準確、可靠，適于進行精確的定量實驗，但是淀粉酶價格不經濟。中國教材中所使用的淀粉酶直接來自于人體的唾液，能在37℃下迅速水解淀粉，材料經濟易得，但需教師指導學生正確采集唾液，由于唾液存在個體差異，僅適合進行較為粗放的定性實驗。此外，本實驗中淀粉雖都是來自于餐桌上的食品，但也存在差異，美國教材選用的是3種谷物中的可溶性淀粉，并而人教版教材選用的是饅頭中的淀粉。

2.4 實驗實施過程的比較

2.4.1 實驗環境的比較

由于兩種淀粉酶的最適溫度不同，所以中美教材的實驗環境也不盡相同。

人教版實驗在模擬人體體溫的環境下進行，一般可以在盛有37℃溫水的燒杯中保溫5~10 min，有條件的學?？稍谒″佒羞M行。唾液中的淀粉酶濃度不高，反應時間較長。

美國實驗則在高于體溫的環境下進行，實驗中通過加入沸水獲得三種谷物中的可溶性淀粉，因而本實驗使用的淀粉酶較之唾液淀粉酶應是更耐高溫的，最常見的是最佳作用溫度為60℃的α-淀粉酶。實驗中每隔30 s取樣并滴加碘液，以30 s作為時間單位，說明該淀粉酶液濃度較高，反應速率快。但是美國實驗沒有提到對過濾得到的淀粉溶液進行保溫處理，使得溫度成為除反應時間外另一個影響淀粉酶作用效果的變量，這一點沒有人教版實驗考慮得周到。

2.4.2 實驗數據采集的比較

在數據的記錄與分析方面，美國教材更為重視數據的精確性和完整性。

人教版實驗僅是一個定性實驗，沒有要求實驗過程中數據的記錄，學生只需觀察試管內的饅頭遇碘液有無變化，記錄下實驗現象，即可得出關于唾液淀粉酶作用的結論。

美國教材設計了定性實驗來證明淀粉酶的作用，同時也通過精確控制實驗材料的用量和反應時間，進行了定量研究，如谷物用量均為0.5 g，每30 s提取樣本進行檢測，并且及時將每一步的數據記錄在表格內（表1）。實驗獲得了非常精確的數據，可以為后續的數據分析提供了保證。學生不僅能得出相關結論，而且可以嘗試解決一些開放性問題。

2.5 實驗討論的比較

中美教材均在實驗最后以問題討論來鼓勵學生思考，得出關于淀粉酶作用的結論。此外，人教版教材提出了“你的實驗結論與其他同學一樣嗎？如果不一樣，與同學一起分析原因”等問題，進一步分析干擾實驗的各種變量，從而對實驗設計進行完善。美國教材通過聯系本章中營養學的知識，讓學生分析谷物中淀粉與單糖的不同比例對谷物熱值的影響，有助于知識的鞏固和遷移。

3 結論與建議

3.1 重視通過科學實驗來構建生物學概念

中美兩國的課程標準都強調了生物學基本概念的形成，概念是反映事物本質屬性與共同特征的思維形式。實驗能夠從感性到理性、從具體到抽象地把生命現象所包含的本質屬性和特征真實、準確地揭示出來，符合學生的身心特點和認知規律，從而實現學生對概念的構建。人體消化系統的結構和功能是生物學重要的基礎概念之一，如何幫助學生有效地構建這一概念呢？中美教材均通過實驗使淀粉酶在消化過程中的作用變得直觀而具體?？茖W實驗作為有效的載體，不僅能夠幫助學生理解生命現象、揭示科學的本質和構建科學概念，而且也能培養學生的邏輯推理能力，提高其生物科學素養。因此，中美兩國教材都選擇了科學實驗作為構建生物學概念的重要方式。

3.2 強調實驗中的變量控制和數據采集

美國基礎科學課程計劃《科學——過程和方法》中將辨別和控制變量確定為科學探究過程的技能之一。實驗中自變量的選擇以及對因變量的觀察、測量和記錄關系到探究過程的成敗。美國教材的實驗設計凸顯了控制變量的思想。無論是對實驗材料的選擇、稱量，還是對實驗裝置的空白處理，無不體現其嚴謹的科學態度。在人教版教材中，對實驗裝置的保溫處理避免了溫度的變化對實驗結果的干擾，但是整體來看，人教版實驗對變量的控制不如美國教材嚴格。此外，及時、準確地記錄實驗數據也是科學探究過程的技能之一，它為對數據進行比較、綜合和分析奠定基礎，缺失這一環節將使學生容易忽視過程與結果的聯系，也使結果變得難以解釋。因此，美國教材強調實驗變量的嚴格控制和數據的精確記錄，體現了對學生探究技能和探究過程的重視，這些都是我國教育需要向美國教材學習的地方。

根據中美教材中淀粉酶實驗的比較，分析該實驗在兩種教材中的異同，能夠為今后的教學實踐提供諸多合理可行的方法，同時也以下列幾個方面作進一步的探討和實踐：① 如何進一步培養學生在探究中的問題意識。中美教材均直接提供了實驗方案，但這在無形中限制了學生設計實驗的自主性。在實際的教學中，教師應更多地關注學生面臨的困難和疑惑，激發學生的好奇心和求知欲，因為學生能夠認識到“為什么這樣做”比“怎么做”更有價值。② 如何對實驗進行合理而有效的評價，促進學生科學素養的提高。中美教材中少有涉及實驗評價的內容，這促使教師深入思考評價的對象、方式和意義?？茖W探究提倡讓學生參與到評價中去，與教師平等對話、積極交流。關注實驗中的評價，體現公平性和多元化，才能促使學生探究能力的真正提高。

附 美國教材“淀粉酶對早餐中谷物食品的作用”實驗操作步驟：

1. 制作如下數據表。

2. 標記早餐谷物，將其對應的3支試管分別標記為A、B、C。

3. 用研缽將少量早餐谷物碾成粉末。

4. 在漏斗上墊一層濾紙，然后把漏斗架到試管A上。

5. 用天平稱取0.5g谷物A的粉末，將其放入漏斗。

6. 將10 mL沸水倒入漏斗，取其過濾液。

7. 重復步驟4、5、6，用同樣的方法處理谷物B和C。每次過濾后，沖洗漏斗并更換濾紙。

8. 將兩滴碘液加入表面皿，再加入2滴濾液A。如果顏色出現深藍色或黑色，表示有淀粉存在。然后將結果記錄在數據表中。

9. 重復步驟8，檢驗谷物B和C中是否含有淀粉。在兩次實驗間，注意要清洗表面皿。

10. 在三種濾液中各加2 mL淀粉酶液，立即采樣重復步驟8~9，檢測其是否有淀粉存在。

11. 每30秒提取一次樣本，觀察樣本中淀粉被消化的情況，并記錄結果。

12. 清潔與整理 按照教師的指導清理實驗器材，判斷材料是否需要丟棄或循環利用，然后洗手。