“酶的活性”實驗教學設計與實施

張亞慧 郭 莉 楊文源

（1 北京大學附屬中學 北京 100190 2 首都師范大學教師教育學院 北京 100037）

1 設計思路

杜威的“實用主義理論”強調“從做中學”，他認為學習就應該在真實的生活情境中，在情境中發現疑難并提出問題，通過一定的邏輯思維作出假設，用實際行動檢驗假設，解決實際問題，即“困難—問題—假設—論證—檢驗”5 步思維方法。這也是科學研究的一般思路，是中學生進行探究學習的思路，更是本節課的教學思路。

在本節教學中，教師拋出喝茶對防治糖尿病是否有幫助的生活情境，將擬解決的首個問題確定為“茶多酚是否會影響人唾液淀粉酶的活性？ ”［1－3］，讓學生自己查閱資料、作出假設、設計實驗、進行實驗、分析數據、得出結論，親身經歷科學研究的過程，通過不斷揣摩茶多酚與人唾液淀粉酶的關系，最終落實“酶的空間結構影響酶的活性”的核心概念。在實驗過程中讓學生領悟探究性實驗研究中對變量的控制、實驗數據的處理等方法，訓練理性思維，根據實驗結果構建相關概念，進而形成“結構與功能相統一”的生物學觀念。同時，大實驗是以小組合作的形式完成的，學生從合作中感悟并承擔社會責任。最終，通過這種“科學大實驗”，將新課程標準強調的“生命觀念、理性思維、科學探究、社會責任”生物學核心素養落到實處［4］。

2 教學內容的組織

2.1 教材分析 該主題學習是基于人教版必修1 第4 章第1 節“降低化學反應活化能的酶”進行的，在第2 章講蛋白質時學生已了解蛋白質的功能之一是催化作用，絕大多數酶的本質是蛋白質。在第5、第6 章會講到呼吸作用、光合作用、細胞分裂、細胞衰老凋亡癌變等代謝過程中都離不開酶的參與，可以說酶很好地承接了前面的“蛋白質”專題，開啟了后續“細胞代謝與生命歷程”的篇章。在這里向學生講清楚酶的本質、酶的活性，對理解很多生物學過程具有非常重要的意義。

本主題的概念如圖1所示，酶在細胞代謝中降低化學反應的活化能；酶是活細胞產生的有催化作用的有機物，絕大多數酶是蛋白質；酶具有高效性、專一性的特性；酶的活性受溫度、pH、抑制劑和激活劑等因素的影響。核心概念是“酶的空間結構影響酶的活性”。通過“探究茶多酚對人唾液淀粉酶活性的影響”實驗，讓學生實現知識的內化和探究能力的提高。

2.2 學情分析 學生在第2 章學習蛋白質的相關內容時，已了解蛋白質的功能之一是催化作用。通過預習，學生也知道酶具有高效性和專一性、作用條件溫和；但一直不能理解酶為什么具有這些特點？生物體內的酶到底如何發揮作用，即催化機理到底是什么？ 這是本節課要解決的問題。

從化學反應的角度，學生對“酶的活性”有一定的直觀了解，也具備了基本的科學探究能力。學生助教可幫助教師在實驗課上指導其他學生。此外，實驗室具有移液器、水浴鍋和分光光度計等器材。因此，通過探究實驗讓學生作出假設，設計實驗、實施實驗、收集數據驗證假設，不斷思考茶多酚是否影響人唾液淀粉酶的活性及其影響機理是可行的。

2.3 教學目標

1）知識目標：①了解酶的空間結構、外界條件對酶活性的影響；②了解唾液淀粉酶的催化機理；③了解分光光度法測定物質含量的原理。

2）能力目標：①從分子層面理解結構與功能相統一的生物學觀點；②讓學生親歷思考和探究的過程，領悟科學探究的一般方法；③掌握對照實驗的設計原則。

3）情感態度與價值觀目標：①認同生物學是實驗科學；②認同任何生物學問題都可以到分子層面尋找答案；③通過自主探究，激發學生對生物學的學習熱情；④個人任務和小組任務相結合，培養既能自主思考又會團隊合作的人。

2.4 教學重、難點

1）重點：①探究影響酶活性的因素；②理解酶的空間結構影響其活性。

2）難點：①探究實驗的設計；②控制實驗變量。

2.5 課時安排 2 課時。

3 教學實施

3.1 真實情境 教師拋出“現代人喜歡喝茶，人們普遍認為喝茶有助于減肥，有助于防癌，有助于防治糖尿病等，你認為這些常識有科學道理嗎？ ”的真實情境，讓學生討論并嘗試給出解釋，有的學生提到綠茶可以抗氧化，可以加速脂肪代謝，應該也可以降血糖，但并不能給出科學解釋［2］。這部分旨在引導學生關注生活中的科學問題。

3.2 提出問題 教師引導學生討論喝茶是否有助于防治糖尿病的核心問題，學生在討論中會涉及到假如喝茶可以幫助防治糖尿病，需要從淀粉的分解、吸收和利用3 個角度進行研究，需要從分子、細胞、動物3 個層次進行研究，根據實驗室現有條件，先從分子層面開始研究淀粉的分解，將現階段擬解決的首個問題確定為“茶多酚能否影響人唾液淀粉酶的活性”。面對復雜問題，引導學生剝繭抽絲找到突破點。

3.3 查閱文獻 教師提供部分文獻，供學生課下閱讀并查閱相關文獻，引導學生關注淀粉酶的結構和功能，關注茶多酚的結構及性質。學生在閱讀過程中遇到的疑問，自己進一步檢索文獻。最后，每個學生設計了解決問題的實驗方案。鍛煉學生搜集資料的能力，提取有效信息的能力。

3.4 作出假設 面對自己提出的“茶多酚能否影響人唾液淀粉酶的活性”這一問題，教師帶領學生作出假設，大部分學生認為茶多酚對其他淀粉酶有抑制作用，則對唾液淀粉酶也應該是抑制的，少部分學生認為茶多酚可以加速糖的分解代謝，故猜測是有促進作用。旨在鼓勵學生大膽思考，根據已有知識和經驗提出自己的假設。

3.5 設計實驗 在正式設計實驗方案之前，教師對淀粉酶的空間結構、茶多酚的理化性質，以及DNS 法檢測還原性糖的機理做簡要說明，讓學生了解絕大多數酶的本質是蛋白質，理解酶的活性、特性是由空間結構決定的，包括溫度、pH、抑制劑、激活劑等外界因素都是通過影響結構進而影響活性的，為后續的實驗做好鋪墊。讓學生結合個人實驗設計，以小組為單位在10 min 內討論決定小組實驗方案，而后教師組織學生在班級層面討論，確定可行的方案。

實驗步驟：

1）配體系：

表1 測酶活反應體系

2）反應：37℃水浴4 min。

3）終止反應：迅速將8 支試管放入100℃滅活處理1.5 min。（注意：一定在第2 步之后迅速將試管轉移到100℃水浴鍋中，保證及時滅活。）

4）檢測產物：取8 支15 mL 離心管進行編號，向每只離心管中加入500 μL DNS 試劑，吸取250 μL 上述終止反應溶液；100℃水浴5 min，向各管內補水至7.5 mL 達到稀釋10 倍的目的，倒入比色皿中，測定OD540，注意用對照組進行調零。

5）設計表格，記錄數據。

3.6 進行實驗 學生在進行實驗過程中，教師一方面指導實驗操作，另一方面完成參與度評價。為保證實驗教學順利進行，每個班級配備學生助教，課下負責預實驗、課上指導實驗、評價同學。在實驗過程中，讓學生專注實驗本身，等待實驗結果，驗證結果與預設是否相符，反復揣摩茶多酚與唾液淀粉酶活性的關系及其原理。旨在實驗中培養學生嚴謹的科學態度和認真做事的能力。如果學生實驗出現失誤或失敗，可在課下繼續進行實驗。

3.7 處理數據 每個小組展示實驗數據，體會用數據說話的重要性，體會科學理論的提出必須依賴于科學實驗。但有個別小組的數據沒有任何趨勢，小組成員討論反思，找出問題所在，課后重復實驗。

教師講授數據處理方法，借助Excel 或Graphpad 軟件進行數據處理，讓學生在課后自行處理實驗數據，并以圖表的形式呈現，與其他小組的數據進行對比，思考異同，以培養學生熟練運用計算機處理數據的能力。

3.8 分析討論 學生根據收集的數據，觀察到隨著茶多酚濃度增加吸光度減少，得出茶多酚對人唾液淀粉酶是抑制的作用，說明喝茶可以減緩淀粉在口腔中的降解，有助于糖尿病的防治。

教師以DBeQ 與ATP 競爭，因此抑制Vps4 活性為例［5］，講解小分子抑制劑對酶活性抑制的機理，提出茶多酚是如何影響唾液淀粉酶活性的，提示茶多酚是混合物，主要成分是兒茶素，唾液淀粉酶是大分子，學生分析抑制的可能機理，理解競爭性抑制劑和非競爭性抑制的異同。一些運用于臨床的小分子抑制劑都是納摩爾級別，本實驗中茶多酚是毫摩爾級別，為何有數量級程度的差別，學生討論抑制特異性。

圖3 DBeQ 對Vps4 的抑制作用［5］

最后，茶多酚抑制了唾液淀粉酶活性能從一個角度說明喝茶有助于防治糖尿病，但解決一個科學問題需要多方面的證據，引導學生思考茶多酚是否影響其他淀粉酶的活性，是否影響細胞對葡萄糖的吸收，是否能在個體水平上真正幫助控制血糖，布置學生進行實驗設計并預測結果。

3.9 實驗報告 教師明確實驗報告的撰寫要求，展示以往優秀的實驗報告，提出針對本次實驗在報告中應注意哪些事項。要求學生在課后獨立完成實驗報告，提高學生運用科學術語撰寫學術報告的能力。

3.10 匯報交流 旨在回顧核心概念，落實“酶的空間結構影響酶的活性”核心概念。教師指出學生實驗報告中出現的問題，例如摘要寫成實驗目的、數據圖表無名稱等。讓學生展示匯報自己的實驗，鍛煉學生的表達能力。

4 教學評價

教師評價，包括教學反思和調查問卷。

學生評價包括課堂行為、實驗報告和作業練習3 個部分。其中，課堂行為評價包含對課前個人實驗方案、課上小組實驗方案和實驗操作的評價，實驗操作包含完成度、真實性、實驗操作習慣、實驗操作規范、安全性和規劃合理性5 個維度。實驗報告對完整性、科學性、討論充分性、信度效度分析、數據分析得出結論、摘要書寫、項目優化7 個維度進行評價。作業練習部分設置一些開放性的思考題，在解決問題過程中進一步落實知識學習，習得生物學思維方法。

5 教學反思

1）“喝茶是否有助于防治糖尿病”這個科學問題激起學生探究熱情，為解決問題學生主動查閱文獻、與同伴交流、設計方案、分工合作，在此過程中，知識學習、能力提升和有效社交自然發生并取得較好的效果，還在實驗過程中提出了新的問題，例如茶多酚對蛋白酶、脂肪酶的活性有無影響，左旋肉堿對淀粉酶活性有無影響，茶多酚抑制唾液淀粉酶的機理是什么，兒茶素能不能開發成藥物防治糖尿病等，這些問題在深度和寬度上均有拓展，是進一步學習的基礎，最重要的是提升了學生的理性思維能力。

2）茶多酚并不是最理想的淀粉酶抑制劑，因為茶多酚是混合物，對很多酶都是有抑制作用的，并不是唾液淀粉酶的特異性抑制劑。酚類物質易氧化，學生操作速度的快慢會影響實驗結果。在后續的教學中，尋找新的唾液淀粉酶的特異性小分子抑制劑代替茶多酚。此外，可考慮購買純品兒茶素，通過雙倒數曲線法研究兒茶素對唾液淀粉酶的抑制是競爭性的還是非競爭性的［6］。

3）時間不可控是實驗教學中教師最難解決的問題，例如小組設計實驗方案環節花費的時間短就會導致討論不充分，而時間長又會耽誤后續環節，每個小組做實驗的速度不一樣，實驗中出現失誤需要重復等。教學組織原則是寧可慢一點，保證學生探究實驗的有效性，課下開放實驗室,鼓勵學生課后進實驗室做實驗，培養學生在科研方面的嚴謹求實的態度。

4）學生的實驗報告質量參差不齊，很多學生認為寫實驗報告是一件與考試無關的事情，但撰寫一份標準的科學實驗報告應是高中生的必備能力，也為以后的本科學習打基礎。通過示范優秀報告，制定更細的評分細則引導學生，逐步提高高中生的科學素養。

5）單元測試結果顯示，關于酶的題目正答率較高，學生能透過現象看本質，抓住空間結構與酶的活性的關系，表明實驗教學是一種有效的教學方式。在課程效果調查問卷中，60%的學生表示生物學大實驗是自己非常喜歡的學習方式，32.5%的學生表示喜歡，7.5%的表示一般喜歡，沒有學生不喜歡，這也鼓舞了教師堅定實驗教學的信心。