基于生物學(xué)科教室的“探究酶的特性”系列實驗設(shè)計

王景花

摘 要 本案例基于生物學(xué)科教室的資源支持，以課堂教學(xué)中的實驗設(shè)計活動為載體，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象，產(chǎn)生認(rèn)知沖突問題，重新設(shè)計實驗方案并利用生物學(xué)科教室資源實施方案。在小組的交流碰撞中歷練探究思維，在層層追問中實現(xiàn)知識的遷移應(yīng)用，提升學(xué)科關(guān)鍵能力。

關(guān)鍵詞 學(xué)科教室 探究實驗設(shè)計 二次實驗設(shè)計

中圖分類號 Q-331 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 學(xué)科教室

學(xué)科教室是傳統(tǒng)的教室、辦公室、實驗室、實驗準(zhǔn)備室、圖書館等功能場館的結(jié)合體，可以讓教學(xué)實驗同步進(jìn)行，既符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，又恢復(fù)課堂的本真性。一方面讓常態(tài)課與實驗課的區(qū)別消失，另一方面教師自己管理實驗器材藥品、準(zhǔn)備實驗，讓教師與實驗員的區(qū)別消失，同時也讓實驗準(zhǔn)備和實驗過程即時透明，讓實驗設(shè)計和過程并行，避免了設(shè)計的盲目性，讓理論實踐并行，從而具有更突出的求真功能。

2 探究性實驗設(shè)計

探究性實驗設(shè)計是科學(xué)探究過程中解決問題的首要步驟，是學(xué)生歷練探究思維能力的重要途徑。其設(shè)計思路包括：圍繞實驗要求和目的、明確實驗設(shè)計的原理、明確實驗的變量和檢測的指標(biāo)、正確選擇實驗的材料和用品、合理設(shè)計實驗步驟、注意遵循實驗的對照和單一變量等最基本的原則、預(yù)測實驗結(jié)果、得出結(jié)論并作出評價。

3 二次實驗設(shè)計

二次實驗設(shè)計是對首次實驗設(shè)計方案和實施過程遇到的問題進(jìn)行分析整改，在原設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，從理念到步驟和細(xì)節(jié)，再到評價，體現(xiàn)學(xué)生實驗過程中思維品質(zhì)的提升和設(shè)計能力的成熟。

4 教學(xué)案例

本節(jié)課以高中生物《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第一節(jié)“酶的本質(zhì)和特性”江蘇學(xué)業(yè)水平測試復(fù)習(xí)課為案例教學(xué)，充分利用我校生物學(xué)科教室資源，完成實驗設(shè)計實施和二次設(shè)計。

活動一——探究酶具有專一性?；顒觾?nèi)容：

（1） 說出實驗設(shè)計思路和遵循的原則。

（2） 按設(shè)計步驟（表1）進(jìn)行操作出現(xiàn)的問題。

（3） 說說你對這些實驗問題的思考并嘗試重新操作。

（4） 實驗中還應(yīng)注意的事項并嘗試改進(jìn)。

學(xué)生總結(jié)：按照設(shè)計步驟（表1）操作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于冬季室內(nèi)溫度較低，操作中酶活性不夠影響到實驗效果；用碘液鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1號試管內(nèi)有藍(lán)色產(chǎn)生，2號無色，說明淀粉沒有被完全水解，這是因為酶活性不高引起的。實驗結(jié)果說明溫度這一無關(guān)變量未控制好，需要進(jìn)行60℃保溫處理，但處理后實驗結(jié)果是兩支試管均無明顯的變色反應(yīng)，無法證明蔗糖是否已經(jīng)被水解。改用斐林試劑鑒定后，可以排除溫度這一無變量的影響。此外本實驗的目的是要探究是否有淀粉被分解，而不是探究淀粉是否被完全分解。所以只要檢測分解產(chǎn)物是否存在就夠了。

二次設(shè)計見表2?；顒觾?nèi)容為：

（1） 說出再設(shè)計的理念思路。

（2） 還可以用兩種酶一種底物方法證明酶有專一性，試設(shè)計。

（3） 談?wù)劯倪M(jìn)后的實驗感想。

活動二——探究影響唾液淀粉酶活性的最適宜溫度。

（1） 說出實驗設(shè)計思路。

（2） 按設(shè)計步驟（表3）進(jìn)行操作出現(xiàn)的問題及你對這些問題的思考，并嘗試重新操作。

（3） 實驗中應(yīng)注意事項并嘗試改進(jìn)。

學(xué)生總結(jié)：將底物保溫在三個溫度下，加入酶，經(jīng)斐林試劑鑒定發(fā)現(xiàn)1、3試管內(nèi)試管均有磚紅色沉淀出現(xiàn)，分析可能是斐林試劑加熱時改變了低溫這一變量。改用碘液可以解決其影響，同時對最適溫度的探究應(yīng)該先做預(yù)實驗確定溫度范圍，確定更小的溫度梯度通過精敏比色分析尋找最適溫度。

二次設(shè)計見表4。活動內(nèi)容為：

（1） 再設(shè)計的理念思路。

（2） 說說不選用過氧化氫酶探究的原因及反應(yīng)后不用斐林試劑檢測的原因。

（3） 繪制酶活性受溫度影響曲線，說明曲線的含義。

（4） 還可以用什么酶和底物來探究溫度對酶活性影響的實驗，試設(shè)計。

活動三——自主設(shè)計和分析pH對酶活性的影響實驗，簡要說明實驗設(shè)計的材料、步驟、鑒定，繪制酶活性受pH影響的曲線模型。

學(xué)生總結(jié)：步驟和探究溫度影響酶活性的實施相似但選材不用淀粉和淀粉酶的理由：

（1） 單一變量不可控。淀粉與碘的藍(lán)色反應(yīng)在pH為3～5的弱酸性環(huán)境下進(jìn)行最靈敏，59時不顯色（或一開始顯藍(lán)色，后褪色）。這是由于碘會與調(diào)節(jié)pH所用的NaOH反應(yīng)，產(chǎn)生次碘化鈉和碘化鈉，使之喪失作為檢測試劑的功用。

（2） 產(chǎn)物檢測不可行。利用碘液來檢測pH對淀粉酶活性的影響實驗的實驗現(xiàn)象：將淀粉加入體積分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液后加入淀粉酶，經(jīng)60℃保溫反應(yīng)，加入碘液后，呈現(xiàn)棕紅色。在重復(fù)實驗后，發(fā)現(xiàn)甚至?xí)尸F(xiàn)出紅色、褐色，且與滴加淀粉酶的時間有關(guān)（即淀粉于HCl中存留時間有關(guān)）。這是由于淀粉及其水解產(chǎn)物都能與碘液發(fā)生反應(yīng)，原理是碘分子嵌入淀粉螺旋體中，形成絡(luò)合物，且淀粉在酸性條件下加熱，也會發(fā)生自然水解。因此，上述實驗中淀粉在HCl中存留的時間不同，顯色也不一樣。即使在強(qiáng)酸環(huán)境下，淀粉酶失活，淀粉也可能不與碘產(chǎn)生藍(lán)色反應(yīng)，而呈現(xiàn)出紅色、褐色等，不能準(zhǔn)確檢測淀粉酶于該pH下是否失活。那么是否就能用斐林試劑作為檢測試劑呢？也不可行。斐林試劑的Cu（OH）2可與HCl產(chǎn)生中和作用，使斐林試劑失去鑒定作用。即使在酸性條件下，淀粉酶具活性，使淀粉水解成還原糖，也檢測不出來。若利用磷酸鹽-檸檬酸鹽緩沖液調(diào)節(jié)pH，以唾液淀粉酶作實驗材料，實驗誤差可能會減少。所以用淀粉酶來做pH對酶活性影響的檢測實驗需要考慮的因素太多。最好的方法還是改變反應(yīng)底物與酶，用過氧化氫酶催化過氧化氫的分解來完成此實驗。這樣就能回避選擇試劑中需要考慮的種種復(fù)雜問題。

5 總結(jié)反思

本節(jié)課的實驗設(shè)計和操作由學(xué)生在老師帶領(lǐng)下在學(xué)科教室內(nèi)完成，學(xué)生的設(shè)計準(zhǔn)備和課堂教學(xué)均以學(xué)科教室現(xiàn)場實驗為背景，避免了設(shè)計的盲目性。將酶的三個實驗分別從定性分析到定量分析再到自主選擇類型，大大拓展學(xué)生的知識廣度和深度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉其能力，提高了學(xué)科素養(yǎng)。同時江蘇學(xué)業(yè)水平考核實驗復(fù)習(xí)要求短平快，簡明高效，往往缺乏課堂的理性思維和科學(xué)探究的空間。本節(jié)實驗復(fù)習(xí)課堂設(shè)計的關(guān)鍵基于學(xué)科教室的資源支持，通過實驗視頻的精心引入，防止課堂時間等待和酶的高效性實驗的危險性。三個實驗設(shè)計內(nèi)容從定性到定量的遞進(jìn)和優(yōu)化層層深入，讓學(xué)生的理性思維得到充分訓(xùn)練。設(shè)計和實驗中問題的分析都有小組和教師的參與和點評，讓知識應(yīng)用準(zhǔn)確定位。許多專家學(xué)者提出課堂深度學(xué)習(xí)概念，實驗課堂上要讓學(xué)生產(chǎn)生深度學(xué)習(xí)，教師要特別注意問題情境的創(chuàng)設(shè)（特別是在實驗過程中遇到的問題一定要正面分析解決）、知識的對接、方法的遷移、思維的遞進(jìn)，走出“做實驗不如做實驗題”的認(rèn)識誤區(qū)。從本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計以實驗設(shè)計帶實驗過程再帶實驗設(shè)計，反復(fù)鍛煉學(xué)生的理性思維和動手操作本領(lǐng)，其中學(xué)科教室的理論支持和實踐平臺功能突顯，說明基于學(xué)科教室的實驗設(shè)計和操作的必要性、優(yōu)越性，對于江蘇現(xiàn)行的學(xué)業(yè)水平必修考試中的實驗復(fù)習(xí)是一種參照模式。教師要關(guān)注學(xué)生理性思維、科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，這是一個漸進(jìn)的過程。教師在平時的教學(xué)中，要創(chuàng)新教學(xué)環(huán)境、教學(xué)方法和教學(xué)評價，將提高學(xué)生的核心素養(yǎng)作為教學(xué)的價值取向，將總目標(biāo)分解到每一節(jié)課中，做到春風(fēng)化雨，潤物無聲之效。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱正威.探究性學(xué)習(xí)實施中的幾個問題[J].生物學(xué)通報，2006，（1）：27-28.

[2] 李能國等.基于學(xué)科教室的生物學(xué)課程設(shè)計[J].生物學(xué)教學(xué)，2016，（9）：13-14.

[3] 徐學(xué)福.科學(xué)課程的探究教學(xué)案例[M].重慶：西南師范大學(xué)出版社，2003，9.

[4] 傅道春.新課程中教學(xué)技能的變化[M].北京：首都師范大學(xué)出版社，2003，8.

[5] 鄭春和.中學(xué)生物學(xué)探究教學(xué)模式的研討[J].課程·教材·教法，2001，（11）：39-44.