定量法改進(jìn)酶實(shí)驗(yàn)

韓艷麗

（東營(yíng)市第一中學(xué) 山東·東營(yíng) 257100）

1 學(xué)情分析

知識(shí)基礎(chǔ)：高一學(xué)生在初中學(xué)習(xí)過(guò)相關(guān)內(nèi)容，對(duì)酶的相關(guān)知識(shí)有一定的淺層次的了解，經(jīng)過(guò)高中前一階段生物課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)生物體內(nèi)的很多化學(xué)反應(yīng)離不開(kāi)酶的催化，但對(duì)酶的反應(yīng)機(jī)理和作用特性還不清楚。

能力基礎(chǔ)：有熱情，但主動(dòng)性不強(qiáng)，習(xí)慣被動(dòng)地接受知識(shí)，缺乏深層次的思考，獨(dú)立探究能力有待培養(yǎng)。

因此，教學(xué)中注意對(duì)學(xué)生進(jìn)行異質(zhì)分組，讓學(xué)習(xí)能力、探究能力較強(qiáng)的同學(xué)擔(dān)任組長(zhǎng)，并設(shè)置好問(wèn)題情景，讓學(xué)生觀察、動(dòng)手、思考和討論，逐步完成教學(xué)目標(biāo)。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于教材分析和學(xué)情分析，制定了以下教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過(guò)對(duì)酶相關(guān)實(shí)驗(yàn)的定量改進(jìn)，理解酶在代謝中的作用、本質(zhì)和特性，發(fā)展科學(xué)思維。

（2）通過(guò)學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究能力，促進(jìn)探究性思維發(fā)展。

（3）探討酶在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，形成社會(huì)責(zé)任感。

3 教材裝置的局限性及改進(jìn)

3.1 教材裝置的局限性

在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)裝置存在一定的局限性：

（1）“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)剛開(kāi)始時(shí)，衛(wèi)生香復(fù)燃明顯，在反應(yīng)劇烈進(jìn)行時(shí)，衛(wèi)生香反而熄滅。學(xué)生分析：裝置完全開(kāi)放，且過(guò)氧化氫分解會(huì)產(chǎn)生大量含水的氣泡，影響衛(wèi)生香的燃燒，導(dǎo)致誤差較大；當(dāng)產(chǎn)生大量氧氣時(shí)，衛(wèi)生香燃燒劇烈，存在安全隱患（圖1）。

圖1：比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解

（2）“探究溫度/pH對(duì)酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)中只能進(jìn)行定性觀察，無(wú)法定量比較，不易構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。

3.2 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

3.2.1 第一次改進(jìn)：將U型管作為反應(yīng)容器

U型管兩側(cè)連通錐形瓶，錐形瓶?jī)?nèi)分別加入等量的肝臟研磨液和FeCl3溶液，然后用注射器同時(shí)注入等量H2O2溶液。通過(guò)比較U型管內(nèi)液面高度差變化，可直觀看出哪一側(cè)氣體產(chǎn)生量更多（圖2）。

圖2：將U型管作為反應(yīng)容器

通過(guò)該裝置，我們可以明顯觀察到肝臟研磨液催化效率遠(yuǎn)高于FeCl3的催化效率。但是，也有學(xué)生指出了其中的不足：U型管兩側(cè)同時(shí)產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致裝置內(nèi)壓強(qiáng)增大快，危險(xiǎn)性較大；不能定量檢測(cè)氣體量。

3.2.2 第二次改進(jìn)：將注射器作為反應(yīng)容器

在大注射器中裝入等量的H2O2溶液，小注射器中裝入等量的肝臟研磨液和FeCl3溶液，同時(shí)推動(dòng)小注射器，并關(guān)閉夾子防止氣體進(jìn)入小注射器。該裝置操作簡(jiǎn)單、控制方便、通過(guò)注射器刻度即可獲知準(zhǔn)確產(chǎn)氣量。且通過(guò)比較不同時(shí)刻的產(chǎn)氣量，學(xué)生非常容易理解：酶具有高效性；酶作為催化劑只改變反應(yīng)速率不改變反應(yīng)平衡點(diǎn)（圖3）。

圖3：將注射器作為反應(yīng)容器

當(dāng)然，該裝置也存在一定的局限性。一個(gè)學(xué)生只能同時(shí)推動(dòng)兩支注射器。而像溫度、pH對(duì)酶活性影響的實(shí)驗(yàn)，卻需要多組實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，如果再利用該裝置就會(huì)使操作特別煩瑣。

那么，該如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？師生經(jīng)過(guò)多次討論、實(shí)驗(yàn)，最后，借助3D打印技術(shù)制作了如下裝置：

3.2.3 第三次改進(jìn)：實(shí)現(xiàn)多組實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行（圖4）

圖4：多組反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行裝置

通過(guò)加裝小試劑槽（圖5）來(lái)來(lái)暫時(shí)存放溶液，試劑槽的上方連通導(dǎo)管，可將氣體導(dǎo)出，試管架的一側(cè)通過(guò)將轉(zhuǎn)軸（圖6）卡在不同小孔中來(lái)調(diào)節(jié)試管處于不同的角度，試管傾斜，保證小試劑槽的液體不落下，試管垂直后，又可讓試劑槽內(nèi)的液體同時(shí)落下，保證反應(yīng)同時(shí)開(kāi)始。右側(cè)水槽通過(guò)排水法收集氣體，為了讀數(shù)準(zhǔn)確，我們采用的是量筒集氣，為了觀察方便，我們還在水槽中滴加了幾滴紅墨水。

圖5：試劑槽

圖 6：轉(zhuǎn)軸

3.3 改進(jìn)后裝置的延伸應(yīng)用

3.3.1 延伸應(yīng)用一：探究pH對(duì)酶活性的影響

通過(guò)該裝置，我們能更方便的探究pH對(duì)酶活性的影響。在大試管中分別加入等量的肝臟研磨液和等量不同pH的溶液，在試劑槽中加入等量的H2O2溶液（表1）。反應(yīng)開(kāi)始后，通過(guò)比較排水量反應(yīng)酶（圖7）活性變化。學(xué)生通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，就可構(gòu)建出pH對(duì)酶活性的影響的數(shù)學(xué)模型。

表1

圖7：反應(yīng)結(jié)果（第30S）

3.3.2 延伸應(yīng)用二：同時(shí)探究酶的高效性和專(zhuān)一性（圖8）

圖8：同時(shí)探究酶的高效性和專(zhuān)一性

在三支試管中分別加入等量的FeCl3溶液、肝臟研磨液和淀粉酶溶液，在試劑槽中加入等量的H2O2溶液。通過(guò)比較1號(hào)和2號(hào)可以說(shuō)明酶具有高效性，通過(guò)比較2號(hào)與3號(hào)可以說(shuō)明酶具有專(zhuān)一性。

3.3.3 延伸應(yīng)用三：探究溫度對(duì)酶活性的影響（圖9）

圖9：探究溫度對(duì)酶活性的影響

通過(guò)加裝小水槽來(lái)探究溫度對(duì)酶活性的影響。圖10是學(xué)生探究“溫度對(duì)唾液淀粉酶活性的影響”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出不同溫度組碘液藍(lán)色褪去程度不一樣。

圖10：探究溫度對(duì)唾液淀粉酶活性的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 教學(xué)過(guò)程──以溫度/pH對(duì)酶活性影響為例

4.1 創(chuàng)設(shè)情境、導(dǎo)入新課

以“加酶洗衣粉要求溫水浸泡”和“唾液淀粉酶到胃中失活”為例引入。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

引導(dǎo)學(xué)生回顧“探究實(shí)驗(yàn)的一般流程”。通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)的流程引導(dǎo)學(xué)生“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路；組裝裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”。這也是本節(jié)實(shí)驗(yàn)的重、難點(diǎn)。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生分組執(zhí)行不同實(shí)驗(yàn)過(guò)程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作既可以鍛煉他們的動(dòng)手操作能力，也可以培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能在實(shí)踐中得到升華。

4.3 結(jié)果分析與交流

小組派代表對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示。

4.4 反思與評(píng)價(jià)

本節(jié)課通過(guò)學(xué)生自評(píng)、小組成員互評(píng)和教師總評(píng)的綜合評(píng)價(jià)機(jī)制（表2），讓學(xué)生在評(píng)價(jià)中肯定自己的成績(jī),明晰實(shí)驗(yàn)操作中問(wèn)題，不斷提升自我。

表2：實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表

4.5 課外實(shí)踐

引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱資料，了解酶在生產(chǎn)生活中的巨大應(yīng)用。

5 教學(xué)反思

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程，由定性分析上升到定量分析，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)；突出學(xué)生的主體地位，在不斷的質(zhì)疑和改進(jìn)過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并尋求解決方案，培養(yǎng)了批判性思維和創(chuàng)新性思維；體現(xiàn)STEAM教學(xué)，我們的實(shí)驗(yàn)裝置都是學(xué)生小組合作探究設(shè)計(jì)并制作的。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需要將多學(xué)科知識(shí)與技術(shù)和工程，甚至是藝術(shù)相結(jié)合，感知科學(xué)技術(shù)與實(shí)踐之間的緊密聯(lián)系，很好的培養(yǎng)了STEAM素養(yǎng)。