“探究影响酶活性的条件”一节探究式教学

杨彩云 沈 璟

（北京市对外经济贸易大学附属中学 北京 100102）

生命科学是一门以实验为基础的自然科学。探究性实验活动有利于发挥学生的主体性地位，激发学生主动参与整个教学过程，学生从中学会观察现象、发现问题，同时在教师的引导下，在探究过程中主动地对实验现象和数据进行分析和研究。本节课充分挖掘教材中可探究点，以分组教学的方式开展实验探究。学生在自主设计实验的过程中主动提出问题，不但有利于学生主动构建知识体系，学习生物科学的研究方法，体会科学研究的一般过程，同时有助于激发学生的学习兴趣，培养学生的创新精神和实践能力。

1 “探究影响酶活性的条件”面临的难点

新课程标准指出，实验教学是生物学课程的特点，也是生物学教学的基本形式之一，为更好地开展实验教学，教师在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质［1］。传统的“探究影响酶活性的条件”实验为定性实验，学生对酶的最适条件只有非常粗浅的认识，无法体会教材中相应的曲线是如何获得的，也无法将曲线与实验相对应。为解决该问题，教师改进原有实验教学内容，通过设置多个温度点（0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃）， 以及 pH 值（2、4、7、9、12）， 实现对实验条件的精确控制，同时用分光光度计及注射器对实验结果进行精确测量，引领学生从实验初始就以科学家的视角思考问题，体会科学家严谨的思维方式，从而养成科学的研究态度。

1.1 淀粉溶液的溶解度问题 本实验中采用分光光度计测定最终剩余淀粉含量的吸光值。分光光度计主要用于检测溶液中吸光度的变化。根据朗伯-比尔定律，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比，控制吸收层厚度b，便可根据吸光度的变化确定待测物质的浓度。因此，为了获得准确的实验结果，需要使用淀粉溶液进行测量。由于实验中现有普通淀粉为非可溶性淀粉，普通淀粉在常温下溶解度很小，其水溶液无法使碘液变蓝。经过反复摸索发现，将一定量的普通淀粉溶于沸水，再冷却可以获得淀粉溶液。

1.2 高温下淀粉遇碘不变蓝 研究表明，高温时淀粉遇碘不变蓝，只有冷却后才能恢复蓝色，可能是由于热运动使螺旋卷曲的淀粉分子伸长，无法形成成串的淀粉-碘分子络合物，蓝色消失；冷却后淀粉恢复螺旋卷曲状，再次与碘分子形成成串的淀粉-碘络合物，溶液再次呈现出蓝色［2］。为解决上述问题，需要将试管置于常温水浴中2 min。由于常温下淀粉被淀粉酶水解较慢，在一定时间内可保持稳定，同时对所有试管进行相同处理，实验结果几乎不受影响，具有较好的可重复性。

1.3 溶液浓度的确定 由于温度对酶活性的影响，实验需要使用分光光度计在680 nm波长下进行定量，而分光光度计具有一定量程，因此前人的淀粉溶液、淀粉酶溶液、过氧化氢溶液的浓度均需重新确定，经过前期大量的预实验确定：α-淀粉酶溶液浓度为0.01 g／L，淀粉溶液浓度为0.08 g／L，过氧化氢溶液浓度为5%，碘液用75%酒精溶解至饱和，过氧化氢酶采用新鲜研磨的肝脏匀浆。

1.4 氧气的定量 由于pH对酶活性的影响实验也设计为定量实验，需要对氧气进行收集并测定；根据前人的研究［3］，本实验设计利用注射器收集氧气、注射器上的刻度用于测量氧气的量，实验装置如图1所示。为了使学生获得明显的实验效果，教师经过前期大量的预实验，最终确定pH值分别为 2、4、7、9、12 时，具有较明显的曲线。

图1 氧气测量装置图

2 学生主动参与实验探究

对于知识的综合应用是学生能力提升的一个重要体现。学生在上节课已通过过氧化氢在不同条件下的分解，学习了酶的高效性及相关的实验知识：自变量、因变量、无关变量、对照实验设计的方法和原则。在此基础上，教师通过提问的方式引导学生应用相关知识设计实验解决问题。

2.1 教师引导，提出假设 教师首先通过加酶洗衣粉包装袋引发学生的好奇心，并用一系列问题串引导学生思考：为什么加酶洗衣粉包装袋上要注明洗衣粉的适用温度范围？许多无机催化剂能在高温、高压、强酸或强碱条件下催化化学反应，生物体内的酶能经受住这些反应条件吗？酶起催化作用需要什么条件？

学生根据常识能说出酶不能经受高温、高压、强酸、强碱的条件，并提出假设：温度和pH值会影响酶的活性。

2.2 根据实验材料，设计实验步骤 根据实验假设，教师提供实验材料（淀粉酶溶液、肝脏研磨液、淀粉溶液、5%的 H2O2溶液、碘液、斐林试剂），以及实验用具（冰块，温度分别为 0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃的水浴锅，分光光度计，pH 值分别为 2、4、7、9、12 的缓冲液，试管，试管架，注射器，胶塞），并介绍分光光度计的基本原理：分光光度计可测得溶液的吸光值A（物质对光的吸收程度），吸光值A越大则溶液浓度越大。学生根据教材的提示自主选择实验材料和实验用具，分组讨论、设计实验探究温度和pH值对酶活性的影响。

由于高一年级学生接触实验的时间不长，思维的科学性、严谨性仍有待提高，经常会忽略很多实验过程中的细节，而“探究影响酶活性的条件”需要运用多种科学探究原则，且实验过程相对复杂，这就需要教师在实验设计过程中启发学生。在本节课中，教师通过“酶与底物是分别保温并置于相应pH值条件下，还是混合后再保温并置于相应pH值条件下”“能否用过氧化氢酶探究温度对酶活性的影响、用淀粉酶探究pH值对酶活性的影响”等问题引导学生进行深入思考，逐步培养学生科学严谨的思维方式。

最终在教师的引导下，学生确定了实验步骤（表 1、表 2）。

表1 温度对α-淀粉酶活性的影响实验步骤

表2 pH值对过氧化氢酶活性的影响实验步骤

2.3 实验方案实施，观察记录数据 学生分成2个大组，一组探究温度对淀粉酶活性的影响，另一组探究pH值对过氧化氢酶活性的影响。由学生自己设计表格记录数据，并根据数据绘制相关曲线图。本实验中学生得到表3和表4所示数据。

表3 不同温度下剩余淀粉含量

表4 不同pH值条件下产生的O2含量（单位：mL）

2.4 实验数据处理，构建数学模型 教师带领学生分析：数据并不直观，为了使数据直观应该怎么办？学生很容易能想到将数据转换成曲线的方式，根据表3学生可得图2a中的曲线，教师引导“测得的吸光值指示的是各温度下蓝色溶液的浓度，该蓝色溶液是什么？是剩余淀粉与碘产生的蓝色溶液，还是消耗了的淀粉与碘产生的蓝色溶液？”学生很快能明白被淀粉酶水解消耗了的淀粉是无法与碘产生蓝色的，故吸光值指示的是各温度下剩余淀粉的含量。教师在此基础上继续引导，“酶的活性是由剩余淀粉含量还是消耗淀粉含量反映的？即是剩余淀粉含量越多表明酶的活性越高，还是消耗淀粉含量越多表明酶的活性越高？”学生经过分析可得知酶的活性是由淀粉的消耗量反映的，故需要用总淀粉量的吸光值减去剩余淀粉的吸光值，得出消耗淀粉的吸光值，消耗淀粉的吸光值越大则酶的活性越高，得出图2b。该转换过程考查了学生对知识的理解程度，使学生更加深刻地体会到知识需要在理解的基础上灵活应用而不是死记硬背。同时，教师指出酶活性的测量并不是简单的A值相减，需要用标准溶液确定底物消耗量或者生成物的多少，从而计算出酶活性。

为了让学生进一步理解曲线的含义，教师在学生实验时，将事先准备好的0℃和100℃保温后的酶，在最适温度下保温10 min后加入相应温度的淀粉溶液保温5 min，然后进行演示实验：加入1 μL碘液，发现0℃保温的淀粉酶几乎没有颜色，而经100℃保温的淀粉酶仍然有很深的蓝色。引导学生思考：出现此现象说明什么，为什么？学生讨论后得出，0℃时，酶的活性受抑制，当重新处于最适温度时，酶的活性可以恢复；当酶在100℃时，酶的空间结构破坏从而失去活性，重新处于最适温度时酶的活性无法恢复。

图2 温度和pH值对酶活性的影响

教师将事先准备好的pH=2和pH=12条件下的肝脏研磨液，加入适量的NaOH和HCl溶液使其pH值调节到7，并将针头胶塞组合塞入有过氧化氢溶液的试管中（图1），同时按下针筒，发现二者几乎都没有产生气泡。引导学生思考：将pH=2和pH=12条件下的过氧化氢酶调节到pH=7，为什么几乎不产生气泡？学生经过讨论后得出，在过酸、过碱的条件下，都会使酶的空间结构破坏而永久失去活性。

在此基础上，教师进一步引导，高温、低温、过酸和过碱对酶活性的影响本质相同吗？学生发现，高温、低温、过酸和过碱对酶活性的影响是不同的，过酸、过碱及高温使酶的空间结构破坏而永久失活；低温抑制酶的活性，但在适宜温度下活性可以恢复。

3 总结与反思

“影响酶活性的条件”是“酶的特性”一节中的重要内容。本节课利用科学探究进行教学，充分调动学生的积极性，锻炼学生知识迁移的能力，为学生创设自主设计实验、探究影响酶活性的条件，有利于学生理性思维的提高。

1）以实验探究为手段，学生在问题的引导下，通过小组合作，主动参与温度和pH值对酶活性影响的实验设计及实施过程，不仅提高了学生的科学思维能力和动手能力，同时培养了学生从事实出发，在实验数据的基础上作出合理的、科学的解释，有利于学生证据意识的形成。

2）引入生物学实验室常用的科学仪器——分光光度计，不但有利于学生了解分光光度计的相关原理及应用，同时使本次实验由定性实验转向定量实验，有利于学生体验真实的科学研究过程，培养其科学、严谨的治学态度。

3）学生通过获得的真实数据生成曲线，提高了成就感，变得更加主动，并能分析相关曲线，在获得生物学知识和实验技能的同时，提高了观察、实践、探究、实验数据处理和分析能力。

4）本节课作为实验探究课，具有较强的可重复性及可操作性。

本节课仍然有许多不足之处，例如在数据处理方面，不同温度和不同pH值的数据中每个温度点和pH值都有3个平行样，可计算标准差以评估数据间的离散程度；教师解释“0℃酶活性被抑制”这一知识点时进行了演示实验，学生能直观观察到，但是如果时间充裕，可以让学生自己动手探究，体验科学探究的魅力，让知识从抽象到具体、从表面到深层，同时有助于发展学生独立思考、合作探究的能力。