基于定量思維的《酶的特性》實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

■山東省青島第十七中學(xué) 陳文娟

一、實(shí)驗(yàn)背景

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》將“科學(xué)思維和科學(xué)探究”明確納入生物學(xué)科核心素養(yǎng)之中，這一要求更加突顯實(shí)驗(yàn)在生物教學(xué)中的重要地位。帶領(lǐng)學(xué)生開展什么樣的探究實(shí)驗(yàn)，以及在實(shí)驗(yàn)中如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是生物教師應(yīng)該關(guān)注的問題。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要以定性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏自主探究實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)。我以人教版必修一《分子與細(xì)胞》模塊中第五章第一節(jié)《降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶》 第二課時《酶的特性》中的實(shí)驗(yàn)為例，與學(xué)生合作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

通過兩個實(shí)驗(yàn)（探究溫度對α-淀粉酶活性的影響、pH值對過氧化氫酶活性的影響）、四個活動（傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及評價(jià)、學(xué)科融合運(yùn)用），體現(xiàn)核心素養(yǎng)的四個維度：生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、社會責(zé)任。

1.認(rèn)識酶的高效性、專一性及其空間結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和復(fù)雜性，了解酶活性受環(huán)境因素（溫度、pH值等）的影響。

2.自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行科學(xué)探究，會控制自變量，觀察和檢測因變量，控制無關(guān)變量，設(shè)置對照組和實(shí)驗(yàn)組。

3.運(yùn)用控制變量的方法，將定性實(shí)驗(yàn)變成定量實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法繪制酶活性變化的曲線圖。

4.關(guān)注酶在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，了解現(xiàn)代儀器在生物檢測中的作用。

三、實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)一：溫度對α-淀粉酶活性的影響

小組討論有關(guān)自變量、因變量、無關(guān)變量的相關(guān)問題后，一致認(rèn)為自變量是溫度，至少分低溫組、高溫組和適溫組三組。

底物與酶何時混合？學(xué)生認(rèn)為應(yīng)該在底物與酶達(dá)到同一溫度條件后再混合，即控制變量后再混合。

因變量是酶的活性。如果淀粉酶的活性較高，在一段時間內(nèi)把淀粉水解掉，如果淀粉酶的活性低，淀粉仍有剩余，可加碘液檢測顏色的變化，通過淀粉剩余量的多少衡量酶活性的高低。

在教材中，直接從加碘液后的顏色變化到曲線表達(dá)，這中間缺乏數(shù)學(xué)建模的過程，造成了思維斷層。因此，我們對教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

改進(jìn)1：學(xué)生設(shè)置了0℃、30℃、60℃、80℃、100℃五個不同的溫度體系。圖1、圖2是小組合作得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 第一小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 第二小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果中能看出不同溫度體系中加碘液后的溶液顏色有深有淺，并依此粗略判斷酶活性的高低。

改進(jìn)2：利用紫外可見分光光度計(jì)對加碘后的溶液進(jìn)行吸光值的測量，可以得到具體數(shù)值，并利用數(shù)值描點(diǎn)畫線，就可以繪制出溫度對酶活性的影響曲線，從而將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)。

圖3 利用紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行測量

表1 測量結(jié)果

圖4 學(xué)生繪制的溫度對酶活性影響的曲線圖

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果極大地鼓舞了學(xué)生，增強(qiáng)了學(xué)生的信心，讓他們對下一個實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)躍躍欲試。

實(shí)驗(yàn)二：pH值對過氧化氫酶活性的影響

在實(shí)驗(yàn)二中，自變量為pH值，因變量為酶活性。既然pH值是自變量，應(yīng)該與溫度對酶活性影響的實(shí)驗(yàn)一樣，理論上應(yīng)該將底物和酶液設(shè)置相同的pH值，達(dá)到所控制條件之后，再混合對應(yīng)的底物和酶液，反應(yīng)相同時間，測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

改進(jìn)1：將底物和酶液設(shè)置相同的pH值，由于實(shí)際操作中難度較大，所以將實(shí)驗(yàn)思路調(diào)整為將不同pH值的溶液加入反應(yīng)體系。首先配制不同pH值的溶液，計(jì)算出配制250ml、pH=1的溶液需要2.1ml濃鹽酸，配制pH=13的溶液需要1g氫氧化鈉。經(jīng)量取、定容、稀釋，分別配制出pH=1、4、7、10、13的五種溶液以備用。

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。

第二步：設(shè)置不同pH值的反應(yīng)體系。用量筒分別量取10ml，pH值為1、4、7、10、13的溶液，并分別置于以上五個錐形瓶中。

第三步（改進(jìn)2）：加酶，用移液管分別吸取2ml新鮮的20%肝臟研磨液，倒入以上不同pH值的錐形瓶，加酶液的同時塞緊氧氣傳感器的瓶口。

第四步：反應(yīng)時間為5分鐘，記錄不同pH值反應(yīng)體系中電腦所顯示的氧氣數(shù)值，根據(jù)數(shù)值繪制酶活性隨pH值變化的曲線。

圖5 可直觀地看到裝置中產(chǎn)生了大量氣泡

圖6 pH值為10時測得的數(shù)值

表2 氧氣傳感器測得的數(shù)值

圖7 學(xué)生繪制的pH值對酶活性影響的曲線圖

四、實(shí)驗(yàn)反思

1.有利于培養(yǎng)學(xué)生的定量思維

與動畫模擬和教學(xué)課件這類信息技術(shù)相比，利用儀器定量測量能深入知識內(nèi)部，展現(xiàn)過程中的細(xì)微變化。

本案例中利用紫外可見分光光度計(jì)和手持技術(shù)（氧氣傳感器）獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并以數(shù)值或曲線圖等直觀形式呈現(xiàn)，既有利于學(xué)生定量思維的形成，又能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

2.有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式

高端科研儀器與高中課程融合，為開展實(shí)驗(yàn)探究提供了有利條件，能使傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程定量化、直觀化、精確化，從而開展更多學(xué)生感興趣、貼近社會熱點(diǎn)的生物實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生從“讀實(shí)驗(yàn)”“背實(shí)驗(yàn)”向“做實(shí)驗(yàn)”“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變。