基于定量思維的“酶的特性”實驗改進

陳文娟

(山東省青島第十七中學 山東青島 266031)

一、實驗背景

（一）社會趨勢

《普通高中生物學課程標準》將“科學思維和科學探究”明確納入生物學科核心素養的維度。這一要求更加凸顯了生物實驗在生物教學中的重要地位。帶領學生開展什么樣的探究實驗，以及在實驗中如何發展學生的科學思維是生物教師應關注的問題。

（二）教材實驗不足

傳統實驗主要以定性實驗為主，缺乏學生的自主探究實驗、定量實驗。照方抓藥的實驗有禁錮學生思維的不足。為此，教師要聚焦實際，開發實驗。實驗創新包括運用新技術、新方法、新材料，嘗試利用高端科研儀器與高中課程進行融合，將定性實驗改進為定量實驗。

（三）學情分析

學生創新精神和實踐能力不足是“中國制造”到“中國智造”轉型的阻礙之一。教師要有意識地引導學生進行創新和實踐，發展其解決實際問題的能力。

二、實驗思路與創新

（一）實驗思路

兩個實驗：探究溫度對α-淀粉酶活性的影響，pH對過氧化氫酶活性的影響。

四個活動：傳統實驗改進、現代技術應用、實驗設計及評價、學科融合運用。

核心素養：通過兩個實驗，四個活動，發展核心素養的四個維度：生命觀念、科學探究、科學思維、社會責任。

（二）實驗創新

1.傳統實驗的改進：師生合作將定性實驗改進成定量實驗。

2.現代技術的應用：紫外分光光度計、氧氣傳感器。

3.學科融合：實現了化學和生物的學科融合。

三、教學過程

（一）探究實驗1：溫度對α-淀粉酶活性的影響

小組討論有關自變量、因變量、無關變量的相關問題。在小組討論、交流后，學生一致認為自變量是溫度，至少分三組：低溫組、高溫組和適溫組[1]。底物與酶何時混合？學生認為應該在底物與酶達到同一溫度條件之后再混合，也就是控制變量之后再混合。因變量是酶的活性。如果淀粉酶的活性較高，在一段時間之后，會把淀粉水解掉；如果淀粉酶活性低，淀粉仍然有剩余。因此，我們可加碘液來檢測顏色的變化，通過淀粉剩余量的多少來衡量酶活性的高低。

改進1：學生設置了五個不同的溫度體系，0℃，30℃，60℃，80℃，100℃。實驗結果能看出不同溫度體系中加碘液后的顏色深淺，并依此粗略判斷酶活性的高低。

改進2：教師可利用紫外可見分光光度計對加碘后的溶液進行吸光值的測量，就可以得到具體數值，并利用數值描點劃線，就可以繪制出溫度對酶活性的影響曲線，從而將定性實驗轉變成定量實驗。

效果：新技術手段的應用可將定性實驗轉變成定量實驗。數據就是證據。回歸科學發現的原點，學生可利用自己實驗獲取的數據，發現生物規律。這一改進效果極大地鼓舞了學生的熱情，增強了學生的信心，使他們對改進實驗總是躍躍欲試。

（二）探究實驗2：pH對過氧化氫酶活性的影響

自變量為pH，因變量為酶活性。既然pH值是自變量，其應該和溫度對酶活性影響的實驗一樣。理論上，我們應該將底物和酶液設置成同一pH值，達到所控制條件之后，再混合對應的底物和酶液，反應相同時間，測量實驗結果，得出實驗結論[2]。

改進1：將底物和酶液設置成同一pH值在實際操作中難度較大。因此，我們應將實驗思路調整為，將不同pH值的溶液加入到反應體系中。我們可先配制不同pH值的溶液，計算出配制250mlpH=1的溶液，需濃鹽酸2.1ml；配制pH=13的溶液需要氫氧化鈉1g。經量取、定容、稀釋，我們分別配制出pH=1、4、7、10、13的五種溶液以備用。

實驗：第一步：加底物，將20ml3%的過氧化氫溶液注入1～5號250ml的錐形瓶中。

第二步：設置不同pH的反應體系，用量筒分別量取10mlpH為1、4、7、10、13的溶液置于以上五個瓶中。

改進2：第三步：加酶，用移液管分別吸取2ml新鮮的20%的肝臟研磨液，倒入以上不同pH值的錐形瓶中，在加酶液的同時將氧氣傳感器塞緊瓶口。

第四步：反應時間五分鐘，學生要記錄不同pH反應體系中電腦所顯示的氧氣數值，并根據數值繪制酶活性隨pH值變化的曲線。

效果：應用現代技術測量數據，繪制曲線，從定性到定量，有利于發展學生利用數學建模表達研究結果的能力。

四、實驗反思

（一）有利于學生定量思維的形成

在溫度對α-淀粉酶活性的影響實驗中，我們利用紫外可見分光光度計對加碘后的溶液進行吸光值的測量。在pH對過氧化氫酶活性的影響實驗中，我們將手持技術中的氧氣傳感器引入到對實驗結果的測量。這兩個儀器的使用都將以往無法呈現的實驗數據有力地表現了出來。與動畫模擬和教學課件這類信息技術相比，定量測量的儀器能夠深入生物知識內部，測出生物過程中微小的變化，真實反映事物內部的細微變化。本案例中利用紫外可見分光光度計和手持技術獲取實驗結果，并對結果實現具體數值或曲線圖等直觀形式的表達，有利于學生定量思維的形成，也有利于培養學生的科學探究與創新意識。

（二）有利于培養學生的學科素養，轉變學生的學習方式

高端科研儀器與高中課程的融合為開展實驗探究提供了有利條件，能使傳統的實驗過程定量化、直觀化、精確化，從而能開發更多學生感興趣，且貼近社會熱點的生物實驗，滲透“生物—技術—社會”教育，使學生從“讀實驗”“背實驗”向“做實驗”“設計實驗”轉變。