利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

江東

摘 要 在利用唾液淀粉酶探究pH和溫度對(duì)酶的活性影響的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了一些預(yù)期之外的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。記錄了學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出問(wèn)題、分析文獻(xiàn)資料、討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果并重新設(shè)計(jì)方案再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的歷程，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的探究能力。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 探究能力 唾液淀粉酶 酶活性

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

文件編號(hào)： 1003 - 7586（2016）06 - 0049 - 03

生物科學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在教學(xué)中尤其注重學(xué)生探究能力的培養(yǎng)。人教版必修一“影響酶活性條件”的探究實(shí)驗(yàn)，是高中生物教學(xué)中重點(diǎn)探究實(shí)驗(yàn)之一。其教學(xué)目標(biāo)是：① 根據(jù)探究的問(wèn)題設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案；② 進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)和探究，學(xué)會(huì)控制自變量，通過(guò)觀察和檢測(cè)因變量的變化，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納溫度和pH對(duì)酶活性的影響規(guī)律；③ 學(xué)會(huì)大膽質(zhì)疑，提高用證據(jù)進(jìn)行辯論的能力。

能否“用淀粉酶探究pH對(duì)酶活性的影響”，引起了師生激烈的討論。高中教學(xué)主流觀點(diǎn)認(rèn)為，不能利用淀粉酶探究pH對(duì)酶活性的影響，原因在于淀粉可能會(huì)發(fā)生酸解，斐林試劑的有效成分Cu（OH）2可能與酸反應(yīng)而失去鑒定效果等。但討論的焦點(diǎn)，并不在于淀粉酶是否受pH的影響，而在于如何科學(xué)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究pH對(duì)淀粉酶活性的影響。

高一學(xué)生在前期已開展了一些探究活動(dòng)，初步具備了提出問(wèn)題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行探究活動(dòng)的能力。在教師的引導(dǎo)下，開展“pH影響唾液淀粉酶活性”的探究活動(dòng)，不僅能很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、提升學(xué)生的思維能力，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神。

1 教材實(shí)驗(yàn)的組織和開展

“影響酶活性的條件”探究實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)材料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的可溶性淀粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl和NaOH溶液，設(shè)置冰水、37℃水浴和沸水三種環(huán)境進(jìn)行探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了一些預(yù)期之外的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如利用碘液（KI-I2溶液，顏色為棕黃色）鑒定pH和溫度對(duì)酶活性影響的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在5%NaOH條件下，滴加一滴KI-I2溶液，結(jié)果為無(wú)色；在沸水中滴加碘液，反應(yīng)也成無(wú)色，皆與預(yù)期結(jié)果藍(lán)色不同，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了質(zhì)疑。隨后，教師鼓勵(lì)學(xué)生用斐林試劑（藍(lán)色）進(jìn)行鑒定，結(jié)果顯示5%NaOH溶液或沸水條件下酶促反應(yīng)結(jié)果都呈藍(lán)色，與預(yù)期結(jié)果相同，說(shuō)明酶已經(jīng)失活。但該實(shí)驗(yàn)又出現(xiàn)了與預(yù)期結(jié)果不同的新現(xiàn)象，即用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液處理的酶促反應(yīng)結(jié)果為淡藍(lán)色（近無(wú)色）。學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，認(rèn)為：① 對(duì)于溫度對(duì)唾液淀粉酶活性的影響實(shí)驗(yàn)，若采用碘液鑒定可能會(huì)出現(xiàn)誤判，而采用斐林試劑鑒定則較為理想。② 采用碘液或斐林試劑單一試劑檢測(cè)pH對(duì)淀粉酶活性的影響，皆會(huì)出現(xiàn)與預(yù)期結(jié)果不同的現(xiàn)象，無(wú)法正確評(píng)價(jià)pH對(duì)酶活性的影響。這是高中教學(xué)中認(rèn)為不適合用淀粉酶探究pH對(duì)酶活性影響的重要原因之一。

2 鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑，進(jìn)行深入探究

2.1 學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的質(zhì)疑與分析

為什么會(huì)出現(xiàn)與預(yù)期結(jié)果不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢？學(xué)生查找資料文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，碘可與NaOH發(fā)生反應(yīng)，即3I2+6NaOH=5NaIO3+5NaI+3H2O，棕黃色的KI-I2溶液變?yōu)闊o(wú)色；高溫條件下，I2與酶促反應(yīng)液中的某些物質(zhì)反應(yīng)呈無(wú)色，失去了鑒定效果。斐林試劑有效成分Cu（OH）2與HCl反應(yīng)產(chǎn)生CuCl2，也失去了鑒定意義。因此，在使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl/NaOH溶液探究pH對(duì)淀粉酶活性的影響的實(shí)驗(yàn)中，若只使用一種鑒定試劑，可能造成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤判。

2.2 學(xué)生對(duì)pH影響酶活性實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

上述出現(xiàn)的與預(yù)期不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及對(duì)其的原因分析，引發(fā)學(xué)生的激烈討論。采用HCl和NaOH溶液探究pH對(duì)唾液淀粉酶活性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因高濃度的HCl與斐林試劑有效成分反應(yīng)，使斐林試劑失去鑒定作用，而高濃度的NaOH與I2反應(yīng)使I2失去鑒定作用。那么能否降低HCl和NaOH濃度，使其能使淀粉酶失活，而不影響KI-I2溶液或斐林試劑鑒定酶活性？學(xué)生探究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl和NaOH溶液的100倍稀釋液對(duì)唾液淀粉酶活性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的HCl/NaOH溶液皆可使唾液淀粉酶失活，而且采用KI-I2溶液或斐林試劑皆可有效地鑒定pH對(duì)淀粉酶活性的影響。其原理在于，較低濃度的HCl或NaOH只會(huì)消耗少量的斐林試劑有效成分Cu（OH）2或I2，不影響KI-I2溶液和斐林試劑對(duì)酶活性的鑒定。利用唾液淀粉酶探究溫度對(duì)酶活性的影響實(shí)驗(yàn)表明，在沸水浴的酶促反應(yīng)液中，直接滴加KI-I2溶液，混合后呈無(wú)色。經(jīng)過(guò)討論，學(xué)生在pH對(duì)淀粉酶活性影響實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)溫度探究淀粉酶活性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，即在冰水、37℃水和沸水水浴中酶促反應(yīng)5 min后，加入1 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的NaOH溶液，利用NaOH中斷酶促反應(yīng)，在常溫下進(jìn)行KI-I2溶液的正常鑒定，或加入1ml斐林試劑后水浴加熱鑒定，鑒定結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)表明該方法可以用KI-I2溶液和斐林試劑鑒定溫度對(duì)淀粉酶活性的影響。

3 教學(xué)反思

有計(jì)劃、有效地組織好學(xué)習(xí)過(guò)程中的探究活動(dòng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。探究式學(xué)習(xí)既有利于學(xué)生很好地學(xué)習(xí)科學(xué)概念，也有利于學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)方法。人教版教材中提出的“建議用淀粉酶探究溫度對(duì)酶活性的影響，用過(guò)氧化氫酶探究pH對(duì)酶活性的影響”給高中教學(xué)帶來(lái)了較大的困惑，這種影響甚至出現(xiàn)在高考試題中。如：2013江蘇高考生物試卷第23題，參考答案中給出“用斐林試劑檢測(cè)pH對(duì)唾液淀粉酶活性的影響是不可行的”；2012年高考全國(guó)理綜卷第33題認(rèn)為利用淀粉酶探究pH對(duì)淀粉酶活性的影響是可行的。在課堂教學(xué)中，教師鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)教材提示，自主探究pH和溫度對(duì)唾液淀粉酶活性影響實(shí)驗(yàn)的可行性，通過(guò)查找文獻(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)預(yù)期之外的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象科學(xué)解釋原因，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)重新設(shè)計(jì)、探究、分析；經(jīng)過(guò)解決問(wèn)題、產(chǎn)生新問(wèn)題、再解決新問(wèn)題，層層遞進(jìn)，最終找到解決問(wèn)題的方法，這充分體現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)的基本流程。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生的自主探究證明，pH影響唾液淀粉酶活性的實(shí)驗(yàn)中，降低5%的HCl和NaOH溶液濃度至0.05%，即可利用常量KI-I2溶液和斐林試劑正常探究pH對(duì)唾液淀粉酶活性的影響。溫度對(duì)唾液淀粉酶活性的研究表明，利用KI-I2溶液鑒定沸水水浴中的淀粉酶活性，因?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象為無(wú)色，可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)的誤判。學(xué)生在pH對(duì)酶活性影響實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)討論并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，即在探究溫度對(duì)淀粉酶活性實(shí)驗(yàn)中，在酶促反應(yīng)后利用0.05%鹽酸或氫氧化鈉使淀粉酶變性失活，中斷反應(yīng)，即可用KI-I2溶液或斐林試劑鑒定溫度對(duì)酶活性的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生自主搜索文獻(xiàn)、討論、設(shè)計(jì)并動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，挖掘出學(xué)生身上蘊(yùn)藏的巨大潛力，同時(shí)也極大地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。這種模擬科學(xué)家工作的學(xué)習(xí)方式，既有利于學(xué)生很好地學(xué)習(xí)科學(xué)概念，也有利于領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)。