在實驗教學中培養(yǎng)學生科學思維和科學探究能力初探
——以“溫度對酶促反應速率的影響”為例

閔凡芹

(江蘇省揚州大學附屬中學 揚州 225002)

溫度對酶促反應速率的影響是蘇教版高中生物學教材必修1第4章課題研究“影響酶促反應速率的因素”中的部分內(nèi)容。教材未對溫度如何影響酶促反應這一實驗內(nèi)容進行詳細的說明，給教師和學生研究和探索留下空間。筆者以此為契機，探索在實驗教學中培養(yǎng)學生科學思維和科學探究能力的方法。

1 深度解析實驗原理，啟迪科學思維

溫度對酶促反應速率的影響主要體現(xiàn)在兩個方面： 一方面，酶促反應同其他大多數(shù)化學反應一樣，溫度高低會影響分子運動，改變反應物的能量狀態(tài)，從而影響酶促反應速率，表現(xiàn)為在較低的溫度范圍內(nèi)，酶促反應的速率隨著溫度的升高而加快；另一方面，過高的溫度促使酶蛋白的構(gòu)象改變，使原來與底物契合的活性中心消失，從而使酶變性失活。表現(xiàn)為超過一定的溫度后，反應速率反而下降。

探究溫度對酶促反應速率的影響可以以淀粉酶水解淀粉這一反應為研究對象： 首先，這一反應的實驗試劑淀粉溶液、淀粉酶、鑒定用的碘液都較容易獲取；其次，隨著淀粉酶水解淀粉過程的進行，會生成不同分子量的糊精作為產(chǎn)物，這些產(chǎn)物與碘反應會呈現(xiàn)不同的顏色變化，從而可以判斷淀粉水解程度，如圖1所示，間接反映酶促反應速率。在實際教學中，對于實驗材料的選擇，教師可以鼓勵學生大膽提出自己的見解，以此進行發(fā)散思維的訓練，而對于實驗原理的剖析，可以使學生深入理解課程知識，啟迪學生的科學思維。

圖1 淀粉酶水解淀粉的系列產(chǎn)物

2 繪制思維導圖，引導實驗探究

2.1 設計“溫度對酶促反應速率影響”的實驗方案 實驗已確定選用淀粉溶液、工業(yè)淀粉酶、碘液作為實驗材料，教師進一步提問，使學生思考： 如何在實驗設計中控制單一變量？自變量和因變量分別是什么？如何設置溫度梯度，怎樣實現(xiàn)溫度的設定值？實驗中還需要哪些儀器和試劑？如何確定實驗流程？引導學生將這些思考的過程繪制成思維導圖，圖2可作為參考。

圖2 溫度對酶促反應速率影響的實驗思維導圖

2.2 確定具體實驗流程 教師可以展示圖2思維導圖中實驗流程的步驟提示，引導學生在預實驗的基礎上進一步確定具體的實驗操作步驟，并繪制成直觀、條理的表格，優(yōu)化學生思維、提升其分析和歸納能力。筆者在預實驗基礎上確定的實驗步驟如表1所示，另采用A4文件保護膜自制點滴板簡化鑒定的過程，可以使實驗結(jié)果更加直觀。

表1 “溫度對酶促反應的影響”實驗步驟

2.3 延伸探究“時間對酶促反應速率的影響” 酶促反應需要一定的時間，反應時間越長淀粉水解越徹底，那么怎樣設計實驗驗證這一結(jié)論呢？教師引導學生進一步思考，并鼓勵學生自己確定具體實驗流程。表2是筆者確定的實驗步驟。

表2 “時間對酶促反應的影響”實驗步驟

3 構(gòu)建“數(shù)學模型”，提升探究能力

高中生物學課程標準提出，要讓學生了解數(shù)學模型在科學研究中的重要作用，培養(yǎng)學生的建模思維和能力。通過前面的實驗探究，學生獲得了一些圖片性質(zhì)的實驗結(jié)果。在此基礎上，教師可以稍加引導，讓學生利用Excel軟件，將實驗結(jié)果繪制成簡單的曲線圖，這不僅可以加深學生對課堂知識“溫度對酶促反應速率的影響”這一教學內(nèi)容的直觀理解，還可以讓他們真實體驗科學探究的過程，提高對科學研究的興趣，對于學生科學思維能力的培養(yǎng)也有著重要的意義。圖3是筆者進行溫度對酶促反應速率影響得到的實驗結(jié)果，將碘液鑒定后的顏色變化程度用0～10數(shù)字進行表示(數(shù)字越大說明與淀粉和碘液反應的顏色相比變化程度越大)，就可以繪制成如圖4“溫度對酶促反應速率的影響”曲線圖。

圖3 不同溫度淀粉的水解程度

圖4 溫度對酶促反應速率的影響

學生在平時的考試和練習中，應該看到過很多次時間對酶促反應速率影響的曲線圖，在本實驗中教師可以引導學生按上述“溫度對酶促反應速率影響”的曲線模型的制作方法將不同反應時間下淀粉酶水解淀粉的實驗結(jié)果(圖5)，進一步轉(zhuǎn)換成數(shù)學模型(圖6)。

圖5 不同反應時間下淀粉水解程度

圖6 時間對酶促反應速率影響

4 巧妙提問，延伸思考

通過本次實驗教學，學生初步掌握了數(shù)學模型的構(gòu)建方法，也對科學研究充滿了探索的欲望和興趣。教師可以趁熱打鐵，不囿于教材或文獻提供的材料和實驗方案，給予學生自由發(fā)揮的空間，并在充分討論和查閱資料中獲得知識的升華和能力的提升。例如，有學生會提出： 用過氧化氫在酶的作用下分解產(chǎn)生氧氣的過程來探索溫度對酶促反應速率的影響，這個實驗可行嗎？再比如，可不可以用斐林試劑鑒定還原糖的方法來測定淀粉的水解程度？影響酶促反應速率的因素除了溫度還有很多，如pH、抑制劑、激活劑等，那么如何設計實驗來驗證這些因素對酶促反應速率的影響？如何構(gòu)建模型來對這些實驗結(jié)果進行科學的描述？教師可以通過巧妙的問題設計來進一步延伸思考，這對科學探究能力的提升和科學思維的培養(yǎng)會有重要的幫助。