在“溫度影響酶活性”的實驗教學中培養科學探究能力

陳加敏 鐘能政

(安徽省合肥市第一中學 230601) (安徽省教育科學研究院 合肥 230061)

“探究影響酶活性的條件”是高中生物學教學中一個重要實驗[1]。本實驗的教學目標是：根據探究的問題設計可行的實驗方案；學會控制自變量，觀察和檢測因變量的變化，分析實驗結果，歸納溫度對酶活性的影響規律；學會大膽質疑，用證據進行辯護。對于能否“用過氧化氫酶探究溫度對酶的影響”，在高中生物學教學中普遍持否定的態度，原因在于高溫會影響過氧化氫的分解，會導致溫度對過氧化氫酶活性影響的誤判。在教師的引導下，學生利用新鮮的質量分數為20%豬肝研磨液為材料，開展“溫度影響酶活性”的探究活動，這樣的活動不僅能培養學生的科學探究能力，提升學生的高階思維能力，而且有利于質疑精神的培養。現將學生在實驗探究過程中對實驗現象的層層質疑、實驗改進等探究的歷程總結如下。

1 組織開展實驗

1.1 實驗材料和用具 3%過氧化氫溶液、新鮮的質量分數為20%豬肝研磨液、蒸餾水和冰塊，以及量筒、燒杯、試管及試管架、滴管和水浴鍋等。

1.2 實驗過程及結果 首先采用體積分數為3%的過氧化氫溶液，探究溫度對20%豬肝研磨液中過氧化氫酶活性的影響。實驗結果見表1。

表1 溫度對過氧化氫酶活性的影響

與預期完全不同的是，溫度對過氧化氫酶活性的影響實驗表明，在冰水中也有大量氣泡的產生，與37℃水浴中的氣泡產生量基本一致，說明過氧化氫酶在0℃也有較強的活性；在沸水中水浴的過氧化氫酶溶液和過氧化氫溶液混合后氣泡產生速度相對很緩慢，說明過氧化氫酶的活性受到了影響。實驗證明，3%的過氧化氫溶液在沸水中并未出現大量氣泡，反而是0℃低溫(未出現對酶活性有明顯抑制效應)而出現大量氣泡。預期之外的實驗結果極大地促進了學生的質疑、討論和進一步探究的熱情。

2 鼓勵學生質疑，進行深入探究

2.1 學生對“高溫影響過氧化氫酶活性”結果的質疑 高溫條件下(沸水水浴)過氧化氫酶溶液與3%過氧化氫混合后少量氣泡的產生，經過師生討論，認為可能原因是：①沸水降低了酶的活性，但酶并未完全失活；②酶已失活，高溫使過氧化氫分解；③酶活性降低和溫度使過氧化氫分解的疊加效應。為了證明是哪種原因正確，學生通過討論分析，設計了如下改進實驗，探究高溫對酶活性的影響，實驗方案及結果見表2。

表2 高溫對過氧化氫酶活性影響的探究實驗

學生通過對表2中各試管反應中氣泡產生量的比較，發現試管1和2分別有大量和少量氣泡產生。與試管1對照，試管3實驗是將經過5 min沸水水浴的過氧化氫酶溶液放入37℃充分水浴后，再加入3% H2O2溶液，發現無氣泡的產生。說明高溫破壞了酶的活性。試管4中加入等量的H2O代替過氧化氫酶溶液，發現試管2和4的氣泡產生速度相同，進一步驗證了試管2沸水中的酶促反應結果是溫度升高使過氧化氫分解加快，而非酶的作用。學生通過分析實驗結果，得出結論：高溫對過氧化氫酶活性有影響，且高溫使酶失活具有不可逆性。

2.2 學生對“低溫影響過氧化氫酶活性”結果的質疑 低溫(冰水水浴)對過氧化氫酶活性并未表現出明顯的抑制作用，師生討論后認為可能的原因主要有：①0℃和37℃條件下酶的活性一致；②酶濃度過大，即使低溫(冰水)使酶活性下降，由于酶濃度較大，短時間內反應速度也可能較快，因此通過檢測氣泡產生速度或產生量不能檢測出低溫對酶活性的抑制效應。為了證明兩種假設的正確與否，通過師生互動交流，采用將20%豬肝研磨液稀釋50倍制備過氧化氫酶溶液，并設計了如下改進實驗，實驗方案和結果見表3。

表3 低溫對過氧化氫酶活性影響的探究實驗

*表示20%豬肝研磨液的50倍稀釋液

表3中試管1和2氣泡產生速度的比較表明，0℃和37℃條件下過氧化氫酶的活性并非一致，低溫顯著降低了酶的活性；試管3和試管1、2相比較，進一步驗證了低溫使酶的活性下降，但并未失活。因此，探究低溫對過氧化氫酶活性的影響也是可行的。為了進一步探究教材中提到的“低溫抑制酶的活性，而非使酶失活”的結論，師生討論并設計了試管4實驗，即經過5min低溫處理的過氧化氫酶溶液，再放入37℃水浴條件進行酶促反應，與試管1對照，氣泡產生量并無明顯差異，說明低溫只是抑制了酶的活性，若調節溫度至最適溫度，酶的活性將升高。

3 教學反思

通過學生的自主探究，科學地證明了利用過氧化氫酶探究溫度對酶活性影響的可行性。實驗表明，雖然高溫會使過氧化氫分解，但利用高溫使酶失活不可逆的特點，完全可以探究高溫對酶活性的實驗。而低溫不能完全抑制酶的活性。難得可貴的是，針對實驗中出現的預期之外的實驗現象，師生通過提出問題、作出假設、設計實驗方案、動手操作實驗、分析實驗結果和得出實驗結論等科學探究，最終找到解決問題的方法。因此，該實驗成功的開展，學生不僅充分理解了溫度對酶活性影響的特點，而且充分體現學生身上蘊藏著巨大的潛力，同時也極大地促進了學生的學習熱情和科學探究能力的提升。