“酶的活性”实验教学设计与实施

张亚慧 郭 莉 杨文源

（1 北京大学附属中学 北京 100190 2 首都师范大学教师教育学院 北京 100037）

1 设计思路

杜威的“实用主义理论”强调“从做中学”，他认为学习就应该在真实的生活情境中，在情境中发现疑难并提出问题，通过一定的逻辑思维作出假设，用实际行动检验假设，解决实际问题，即“困难—问题—假设—论证—检验”5 步思维方法。这也是科学研究的一般思路，是中学生进行探究学习的思路，更是本节课的教学思路。

在本节教学中，教师抛出喝茶对防治糖尿病是否有帮助的生活情境，将拟解决的首个问题确定为“茶多酚是否会影响人唾液淀粉酶的活性？ ”［1－3］，让学生自己查阅资料、作出假设、设计实验、进行实验、分析数据、得出结论，亲身经历科学研究的过程，通过不断揣摩茶多酚与人唾液淀粉酶的关系，最终落实“酶的空间结构影响酶的活性”的核心概念。在实验过程中让学生领悟探究性实验研究中对变量的控制、实验数据的处理等方法，训练理性思维，根据实验结果构建相关概念，进而形成“结构与功能相统一”的生物学观念。同时，大实验是以小组合作的形式完成的，学生从合作中感悟并承担社会责任。最终，通过这种“科学大实验”，将新课程标准强调的“生命观念、理性思维、科学探究、社会责任”生物学核心素养落到实处［4］。

2 教学内容的组织

2.1 教材分析 该主题学习是基于人教版必修1 第4 章第1 节“降低化学反应活化能的酶”进行的，在第2 章讲蛋白质时学生已了解蛋白质的功能之一是催化作用，绝大多数酶的本质是蛋白质。在第5、第6 章会讲到呼吸作用、光合作用、细胞分裂、细胞衰老凋亡癌变等代谢过程中都离不开酶的参与，可以说酶很好地承接了前面的“蛋白质”专题，开启了后续“细胞代谢与生命历程”的篇章。在这里向学生讲清楚酶的本质、酶的活性，对理解很多生物学过程具有非常重要的意义。

本主题的概念如图1所示，酶在细胞代谢中降低化学反应的活化能；酶是活细胞产生的有催化作用的有机物，绝大多数酶是蛋白质；酶具有高效性、专一性的特性；酶的活性受温度、pH、抑制剂和激活剂等因素的影响。核心概念是“酶的空间结构影响酶的活性”。通过“探究茶多酚对人唾液淀粉酶活性的影响”实验，让学生实现知识的内化和探究能力的提高。

2.2 学情分析 学生在第2 章学习蛋白质的相关内容时，已了解蛋白质的功能之一是催化作用。通过预习，学生也知道酶具有高效性和专一性、作用条件温和；但一直不能理解酶为什么具有这些特点？生物体内的酶到底如何发挥作用，即催化机理到底是什么？ 这是本节课要解决的问题。

从化学反应的角度，学生对“酶的活性”有一定的直观了解，也具备了基本的科学探究能力。学生助教可帮助教师在实验课上指导其他学生。此外，实验室具有移液器、水浴锅和分光光度计等器材。因此，通过探究实验让学生作出假设，设计实验、实施实验、收集数据验证假设，不断思考茶多酚是否影响人唾液淀粉酶的活性及其影响机理是可行的。

2.3 教学目标

1）知识目标：①了解酶的空间结构、外界条件对酶活性的影响；②了解唾液淀粉酶的催化机理；③了解分光光度法测定物质含量的原理。

2）能力目标：①从分子层面理解结构与功能相统一的生物学观点；②让学生亲历思考和探究的过程，领悟科学探究的一般方法；③掌握对照实验的设计原则。

3）情感态度与价值观目标：①认同生物学是实验科学；②认同任何生物学问题都可以到分子层面寻找答案；③通过自主探究，激发学生对生物学的学习热情；④个人任务和小组任务相结合，培养既能自主思考又会团队合作的人。

2.4 教学重、难点

1）重点：①探究影响酶活性的因素；②理解酶的空间结构影响其活性。

2）难点：①探究实验的设计；②控制实验变量。

2.5 课时安排 2 课时。

3 教学实施

3.1 真实情境 教师抛出“现代人喜欢喝茶，人们普遍认为喝茶有助于减肥，有助于防癌，有助于防治糖尿病等，你认为这些常识有科学道理吗？ ”的真实情境，让学生讨论并尝试给出解释，有的学生提到绿茶可以抗氧化，可以加速脂肪代谢，应该也可以降血糖，但并不能给出科学解释［2］。这部分旨在引导学生关注生活中的科学问题。

3.2 提出问题 教师引导学生讨论喝茶是否有助于防治糖尿病的核心问题，学生在讨论中会涉及到假如喝茶可以帮助防治糖尿病，需要从淀粉的分解、吸收和利用3 个角度进行研究，需要从分子、细胞、动物3 个层次进行研究，根据实验室现有条件，先从分子层面开始研究淀粉的分解，将现阶段拟解决的首个问题确定为“茶多酚能否影响人唾液淀粉酶的活性”。面对复杂问题，引导学生剥茧抽丝找到突破点。

3.3 查阅文献 教师提供部分文献，供学生课下阅读并查阅相关文献，引导学生关注淀粉酶的结构和功能，关注茶多酚的结构及性质。学生在阅读过程中遇到的疑问，自己进一步检索文献。最后，每个学生设计了解决问题的实验方案。锻炼学生搜集资料的能力，提取有效信息的能力。

3.4 作出假设 面对自己提出的“茶多酚能否影响人唾液淀粉酶的活性”这一问题，教师带领学生作出假设，大部分学生认为茶多酚对其他淀粉酶有抑制作用，则对唾液淀粉酶也应该是抑制的，少部分学生认为茶多酚可以加速糖的分解代谢，故猜测是有促进作用。旨在鼓励学生大胆思考，根据已有知识和经验提出自己的假设。

3.5 设计实验 在正式设计实验方案之前，教师对淀粉酶的空间结构、茶多酚的理化性质，以及DNS 法检测还原性糖的机理做简要说明，让学生了解绝大多数酶的本质是蛋白质，理解酶的活性、特性是由空间结构决定的，包括温度、pH、抑制剂、激活剂等外界因素都是通过影响结构进而影响活性的，为后续的实验做好铺垫。让学生结合个人实验设计，以小组为单位在10 min 内讨论决定小组实验方案，而后教师组织学生在班级层面讨论，确定可行的方案。

实验步骤：

1）配体系：

表1 测酶活反应体系

2）反应：37℃水浴4 min。

3）终止反应：迅速将8 支试管放入100℃灭活处理1.5 min。（注意：一定在第2 步之后迅速将试管转移到100℃水浴锅中，保证及时灭活。）

4）检测产物：取8 支15 mL 离心管进行编号，向每只离心管中加入500 μL DNS 试剂，吸取250 μL 上述终止反应溶液；100℃水浴5 min，向各管内补水至7.5 mL 达到稀释10 倍的目的，倒入比色皿中，测定OD540，注意用对照组进行调零。

5）设计表格，记录数据。

3.6 进行实验 学生在进行实验过程中，教师一方面指导实验操作，另一方面完成参与度评价。为保证实验教学顺利进行，每个班级配备学生助教，课下负责预实验、课上指导实验、评价同学。在实验过程中，让学生专注实验本身，等待实验结果，验证结果与预设是否相符，反复揣摩茶多酚与唾液淀粉酶活性的关系及其原理。旨在实验中培养学生严谨的科学态度和认真做事的能力。如果学生实验出现失误或失败，可在课下继续进行实验。

3.7 处理数据 每个小组展示实验数据，体会用数据说话的重要性，体会科学理论的提出必须依赖于科学实验。但有个别小组的数据没有任何趋势，小组成员讨论反思，找出问题所在，课后重复实验。

教师讲授数据处理方法，借助Excel 或Graphpad 软件进行数据处理，让学生在课后自行处理实验数据，并以图表的形式呈现，与其他小组的数据进行对比，思考异同，以培养学生熟练运用计算机处理数据的能力。

3.8 分析讨论 学生根据收集的数据，观察到随着茶多酚浓度增加吸光度减少，得出茶多酚对人唾液淀粉酶是抑制的作用，说明喝茶可以减缓淀粉在口腔中的降解，有助于糖尿病的防治。

教师以DBeQ 与ATP 竞争，因此抑制Vps4 活性为例［5］，讲解小分子抑制剂对酶活性抑制的机理，提出茶多酚是如何影响唾液淀粉酶活性的，提示茶多酚是混合物，主要成分是儿茶素，唾液淀粉酶是大分子，学生分析抑制的可能机理，理解竞争性抑制剂和非竞争性抑制的异同。一些运用于临床的小分子抑制剂都是纳摩尔级别，本实验中茶多酚是毫摩尔级别，为何有数量级程度的差别，学生讨论抑制特异性。

图3 DBeQ 对Vps4 的抑制作用［5］

最后，茶多酚抑制了唾液淀粉酶活性能从一个角度说明喝茶有助于防治糖尿病，但解决一个科学问题需要多方面的证据，引导学生思考茶多酚是否影响其他淀粉酶的活性，是否影响细胞对葡萄糖的吸收，是否能在个体水平上真正帮助控制血糖，布置学生进行实验设计并预测结果。

3.9 实验报告 教师明确实验报告的撰写要求，展示以往优秀的实验报告，提出针对本次实验在报告中应注意哪些事项。要求学生在课后独立完成实验报告，提高学生运用科学术语撰写学术报告的能力。

3.10 汇报交流 旨在回顾核心概念，落实“酶的空间结构影响酶的活性”核心概念。教师指出学生实验报告中出现的问题，例如摘要写成实验目的、数据图表无名称等。让学生展示汇报自己的实验，锻炼学生的表达能力。

4 教学评价

教师评价，包括教学反思和调查问卷。

学生评价包括课堂行为、实验报告和作业练习3 个部分。其中，课堂行为评价包含对课前个人实验方案、课上小组实验方案和实验操作的评价，实验操作包含完成度、真实性、实验操作习惯、实验操作规范、安全性和规划合理性5 个维度。实验报告对完整性、科学性、讨论充分性、信度效度分析、数据分析得出结论、摘要书写、项目优化7 个维度进行评价。作业练习部分设置一些开放性的思考题，在解决问题过程中进一步落实知识学习，习得生物学思维方法。

5 教学反思

1）“喝茶是否有助于防治糖尿病”这个科学问题激起学生探究热情，为解决问题学生主动查阅文献、与同伴交流、设计方案、分工合作，在此过程中，知识学习、能力提升和有效社交自然发生并取得较好的效果，还在实验过程中提出了新的问题，例如茶多酚对蛋白酶、脂肪酶的活性有无影响，左旋肉碱对淀粉酶活性有无影响，茶多酚抑制唾液淀粉酶的机理是什么，儿茶素能不能开发成药物防治糖尿病等，这些问题在深度和宽度上均有拓展，是进一步学习的基础，最重要的是提升了学生的理性思维能力。

2）茶多酚并不是最理想的淀粉酶抑制剂，因为茶多酚是混合物，对很多酶都是有抑制作用的，并不是唾液淀粉酶的特异性抑制剂。酚类物质易氧化，学生操作速度的快慢会影响实验结果。在后续的教学中，寻找新的唾液淀粉酶的特异性小分子抑制剂代替茶多酚。此外，可考虑购买纯品儿茶素，通过双倒数曲线法研究儿茶素对唾液淀粉酶的抑制是竞争性的还是非竞争性的［6］。

3）时间不可控是实验教学中教师最难解决的问题，例如小组设计实验方案环节花费的时间短就会导致讨论不充分，而时间长又会耽误后续环节，每个小组做实验的速度不一样，实验中出现失误需要重复等。教学组织原则是宁可慢一点，保证学生探究实验的有效性，课下开放实验室,鼓励学生课后进实验室做实验，培养学生在科研方面的严谨求实的态度。

4）学生的实验报告质量参差不齐，很多学生认为写实验报告是一件与考试无关的事情，但撰写一份标准的科学实验报告应是高中生的必备能力，也为以后的本科学习打基础。通过示范优秀报告，制定更细的评分细则引导学生，逐步提高高中生的科学素养。

5）单元测试结果显示，关于酶的题目正答率较高，学生能透过现象看本质，抓住空间结构与酶的活性的关系，表明实验教学是一种有效的教学方式。在课程效果调查问卷中，60%的学生表示生物学大实验是自己非常喜欢的学习方式，32.5%的学生表示喜欢，7.5%的表示一般喜欢，没有学生不喜欢，这也鼓舞了教师坚定实验教学的信心。