基于生物學核心素養的“探究影響酶活性的條件”實驗教學設計

朱 昊

(河北省秦皇島市山海關第一中學 秦皇島 066299)

1 教材分析及設計思路

“探究影響酶活性的條件”是人教版高中生物學必修1《分子與細胞》第5章第1節中的內容。在此之前，學生已經學習了酶的相關知識和“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，這為本次實驗奠定了基礎。同時本次探究實驗，有助于學生理解光合作用和細胞呼吸?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準(2017年版)》對本部分的內容要求是： 說明酶活性受到環境因素(如pH和溫度等)的影響。

該探究實驗包括兩個子課題——探究pH和溫度對酶活性的影響，課容量較大，對學生的實驗操作水平要求較高，而且教材沒有提供具體的實驗方案。為此，需要優化實驗條件及教學組織，保證在一節課的時間內完成影響酶活性的條件的探究。本節課依據科學探究實驗的一般流程展開，旨在培養學生的科學思維和科學探究等生物學學科核心素養。

2 教學目標

基于課程標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1) 學會在真實情境下做出假設、設計實驗、分組實施及結果分析等步驟，掌握科學探究的思路和方法，發展科學思維。

(2) 通過對實驗方案的評價、修改和完善，學會推理、歸納、質疑、批判等科學思維方法。

(3) 通過實驗探究，形成“酶活性受到環境因素(如pH和溫度等)的影響”這個科學概念。

3 實驗裝置設計及實驗方法優化

(1) “探究pH對H2O2酶活性的影響”實驗裝置： 由兩個20 mL注射器、一段輸液管以及一個調節旋鈕組成(圖1)，用蒸餾水配制一定濃度的酵母菌溶液(安琪干酵母粉)作為過氧化氫酶的來源。該實驗裝置的制作更簡單，材料易獲得，不僅可以定量控制酶和底物的用量，使反應發生和定量測定在同一個注射器中進行，而且小組內的幾名學生同時操作，可以使反應同時進行，操作更簡便，實驗數據易獲得。

圖1 “探究pH對H2O2酶活性的影響”的實驗裝置

(2) “探究溫度對淀粉酶活性的影響”實驗方法的優化： ①選擇淀粉和α-淀粉酶為實驗材料，碘液為檢測試劑，α-淀粉酶溶液的濃度調整為0.25%；②保溫時間至少延長至8 min；③高溫組水浴溫度調整為85℃；④采用白色點滴板觀察現象。

4 教學過程

4.1 教學前的準備 教師提前準備各種試劑及器材并布置作業，請學生參照教材，設計“探究pH和溫度對酶活性的影響”的實驗方案，教師收集方案并批閱，選出典型的實驗方案。同時教師組織興趣小組按照典型實驗方案進行預實驗，記錄實驗現象并錄成微視頻。

4.2 創設情境，導入新課 教師出示資料： ①當人消化不好的時候，醫生會給開多酶片，多酶片說明書上面寫著“多酶片是由胰酶、胃蛋白酶復合而成，該藥品在酸性條件下易破壞”；②“雕牌”超效加酶洗衣粉，其包裝袋上印有“成分： 含有生物酶等，用法： 用溫水溶液進行浸泡衣服”。此時教師提出問題：“為什么多酶片在酸性條件下易破壞呢？為什么用溫水浸泡衣服呢？”教師引導學生做出相應的假設： pH、溫度可能會影響酶的活性。那么假設是否正確呢？需要我們通過實驗來驗證我們的假設是否正確。

設計意圖： 培養學生自主學習和實驗設計的能力，將典型實驗方案錄成微視頻，為學生評價實驗方案奠定基礎，通過創設生活化的真實情境，引導學生做出合理的假設，從而引出科學探究的一般流程。

4.3 師生評價、修改、完善“探究pH對酶活性的影響”實驗方案 教師播放課前錄制的微視頻，以此來呈現學生設計的典型實驗方案(例如： 取3支潔凈的試管，編號1、 2、 3；各加入1 mL的淀粉酶溶液；分別加入3滴5% HCl、 5% NaOH和蒸餾水搖勻,維持5 min；各注入2 mL可溶性淀粉溶液；各滴入1滴碘液，觀察實驗現象)，讓學生從可行性和科學性的角度，評價實驗方案。教師組織學生討論，然后由學生代表展示： 該方案加入5% NaOH的試管中沒有出現藍色，與預期結果不符，該方案不具有可行性。

此時教師出示文獻資料1： 碘與NaOH反應，產生無色的碘化鈉和次碘化鈉，失去作為檢測試劑的功能，影響對實驗結果的判斷[1]。學生通過分析資料，得出結論： 碘與NaOH反應是導致實際結果與預期不符的原因所在。教師追問：“真的不能用碘液檢測嗎？”教師順勢出示文獻資料2： 將0.01 mol/L HCl溶液、0.01 mol/L NaOH溶液設置為酸、堿環境條件，檢測試劑為碘液的反應體系為： 3%淀粉溶液與0.1% α-淀粉酶溶液各1 mL，25℃下反應5 min[2]。學生通過分析資料，得出結論： 只要優化酸堿條件，也可以用碘液檢測。基于上述分析，學生認為選擇用過氧化氫酶探究pH對酶活性的影響更合適。

教師再次提出問題： 如何設計實驗，定量探究pH對H2O2酶活性的影響呢？教師課前指導興趣小組上網查閱文獻，了解該實驗的研究現狀并設計實驗方案，課上由學生代表進行匯報，最后師生共同評價和完善實驗方案。

4.4 師生評價、修改、完善“探究溫度對酶活性的影響”實驗方案 教師出示“探究溫度對酶活性的影響”的典型實驗方案(例如： 取3支潔凈的試管，編號1、 2、 3；分別加入2 mL可溶性淀粉溶液；各注入1 mL的淀粉酶溶液，搖勻后，維持5 min；分別放入在60℃水、沸水和冰水中，維持各自的溫度5 min；各滴入1滴碘液，搖勻，觀察實驗現象)，讓學生從可行性和科學性的角度，評價實驗方案。

教師組織學生討論，然后由學生代表展示： 該方案缺乏科學性、嚴謹性。因為加入淀粉酶之后再控制溫度，那么當淀粉酶一加入，其中的淀粉酶馬上催化淀粉水解，會產生實驗誤差，對實驗結果造成干擾。此時教師出示文獻資料3： α-淀粉酶失活的溫度為85℃，使α-淀粉酶失活的保溫時間至少控制在6 min[3]。將α-淀粉酶的質量分數降至0.25%，實驗獲得了良好的重現性[4]。學生分析資料，然后師生共同完善實驗方案。

設計意圖： 以文獻資料為支架，按照從呈現典型實驗方案到初次評價實驗方案再到進一步評價完善實驗方案的思路進行教學，不僅符合學生的認知規律，而且讓學生體會到科學研究的方法。

4.5 分組實驗，合作探究 教師出示探究活動內容及任務分工，組織全班學生同時開展兩個探究實驗。

活動一 提供以下實驗材料： 1% H2O2溶液、2%酵母菌溶液、注射器、輸液管、不同的pH溶液，探究pH對H2O2酶活性的影響。(組1—5完成該實驗，組長用手機將實驗結果拍照上傳到班級微信群，并將本組數據填寫到電腦端的Excel表格中。)

活動二 提供以下實驗材料： 溫度計若干支、60℃水浴、0℃冰水混合物、90℃水浴、3%淀粉溶液、0.25%淀粉酶溶液、碘液、探究溫度對淀粉酶活性的影響(組6—10完成該實驗，組長用手機將實驗結果拍照上傳到班級微信群)。

4.6 結果分享，分析交流 學生分析和交流能力是學科核心素養之科學探究能力中的重要評價指標。

4.6.1 “探究pH對H2O2酶活性的影響”的實驗結果及分析 學生利用手機將實驗結果上傳到班級微信群，然后師生共同點評。組長將實驗數據填到Excel表格中，自動生成數學曲線圖(圖2)，然后學生分析曲線圖，歸納得出結論： 隨著pH的增加，單位時間內氣體產生量先增加后減少，在pH 7左右，氣體產生量最大。因此，過酸、過堿會使酶失去活性，酶活性在最適pH的時候最大。

圖2 pH對酵母菌過氧化氫酶活性的影響

4.6.2 “探究溫度對淀粉酶活性的影響”的實驗結果及分析 教師利用希沃授課助手同屏技術將實驗結果(圖3)投在大屏幕上，學生發現實驗結果與預期不符。提出質疑：“為什么0℃組沒有出現預期的藍色，而出現紅褐色？”教師出示文獻資料5： 淀粉酶水解淀粉是一個逐步進行的過程，淀粉水解不同階段的中間產物遇碘有不同的顏色反應，最后才形成遇碘不顯色的麥芽糖和葡糖糖，其顏色變化順序依次為紫藍色(淀粉)→紫色→紅褐色→紅棕色→無色(麥芽糖、葡糖糖)[4]。學生分析資料，得出結論： 低溫并沒有完全喪失酶的活性，低溫組比60℃組的酶活性低而已，所以沒有被徹底水解變成麥芽糖和葡糖糖，而是形成了中間產物。

圖3 “溫度對淀粉酶活性的影響”的實驗結果

教師追問：“低溫組如果升高溫度，能否提高酶活性？而高溫組如果降低溫度，酶活性能否恢復？”此時教師出示興趣小組的實驗結果(圖略)，學生分析結果并得出結論： 低溫組如果升高溫度，酶活性也隨之提高，而高溫組降低溫度，酶活性不會恢復。

設計意圖： 通過兩個探究實驗，讓學生親歷科學探究的過程，引導學生學會描述觀察到的實驗現象；在探究過程中，學會與同學主動合作，并交流結果；學會基于事實和證據，運用歸納和概括等思維方法，進行邏輯推理，闡明“酶活性受到環境因素(如pH和溫度等)的影響”這一科學概念，從而發展學生的科學思維。

4.7 回歸生活，學以致用 教師出示資料： 多酶片的主要成分是胃蛋白酶、淀粉酶和胰酶，而它們各自的作用方式及環境各不相同。前兩者是在酸性環境下活性大，而后者是在中性及偏堿環境下活性大，所以不能混用。根據此性質，藥廠將這三種藥制成“雙層片”，即先將胰酶包腸溶衣片，再將胃蛋白酶，淀粉酶包在外層。請同學們利用所學知識解釋“為什么服用此藥不能嚼碎，而應整片吞服？”

5 教學反思

本節課是以多酶片、加酶洗衣粉這一真實情境為導向，依據科學探究實驗的一般流程展開，旨在培養學生的科學思維和科學探究等生物學學科核心素養。通過科學合理分組、同時探究兩個子實驗，在探究過程中，充分利用希沃授課助手中同屏技術以及Excel軟件的數據處理功能，實現了師生之間的有效互動，大大提高了實驗課的教學效率，從而保證在一節課的時間內完成影響酶活性的條件的探究，使教學目標得到有效落實。