“探究酶的工作特点”实验的教学设计与实践

汪岱华 (上海市延安中学 上海 200336)

1 引言

酶的工作特点是高中生命科学教学的重难点之一，其涵盖的教学内容实验性强、思维要求高，适宜开展探究性实验教学。

上海市高中《生命科学》教材在关于酶的教学内容中，安排了“4.1探究酶的高效性”和“4.2探究影响酶活性的因素(选做)”两个学生实验。这两个实验为培养学生从实验实践中学习科学理论、在探究中提高实验能力提供了很好的契机。然而在教学实施过程中，受多种因素影响，教学效果并不理想，需要改进和优化。

2 教学设计思路

为了在高中阶段更好地培养学生的科学思维和探究精神，让学生由实验现象的观察者转变为实验活动的设计者，在探究实验中贯穿定量研究的思维方式。笔者尝试将教材的理论知识学习和实验相结合，改用注射器作为实验装置，通过气体产生速率定量地判断酶的活性变化。重新设计教学过程： 以“生活现象—基础实验—理论学习—探究实验—得出结论—回归生活”为主线，从基础实验到探究实验，为学生铺设学习的阶梯，在学习中注重与生活的联系，体会酶作为生物催化剂的重要作用。

3 教学内容和实验装置的改进

3.1 探究性实验内容与材料的拓展 将“实验4.1探究酶的高效性”改变为“实验1： 探究酶的特性”，增加了多酶片溶液的试剂，补充了对酶专一性的探究，由实验1引出酶的特性、概念关键词和命名法则。同时在教学中充分利用多酶片的纵切结构(图1)和药品说明书(图2)，引导学生关注药物设计和影响酶活性的因素，自然过渡到实验2。

图2 多酶片药品说明书

实验2建立在选做实验“实验4.2探究影响酶活性的因素”基础上，设计了“探究pH对过氧化氢酶活性的影响”，从实验效果和实验材料的熟悉度考虑，仍采用含有过氧化氢酶的猪肝和过氧化氢反应，并对尚未学习过溶液配制方法的高一学生，在课前配置了pH分别为1、 4、 7、 10、 13的溶液，让学生以小组形式设计并完成实验，结合坐标系归纳实验结果，经历科学实验探究的完整过程。

3.2 实验装置的改进与制作 教材中采用玻璃试管为反应装置，通过猪肝匀浆和过氧化氢的反应，定性观察气泡产生量的多少。笔者通过反复尝试，设计了能够将反应结果定量化的自制实验装置(图3)： 利用延展性较强的蓝丁胶将20 mL标准医用注射器的注射口封闭，反向插入针头，连接处用封口膜包扎固定，在水槽中验证气密性，形成一个密封的反应体系。在实验中可以通过反向针头，用另一注射器注入液体，将过氧化氢溶液等加入的溶液定量化。在反应时通过计时器记录反应时间，从注射器刻度变化读取气泡产生量，计算得出氧气产生的平均速度(mL/s)。

图3 自制实验装置图

4 探究性实验的实施

本节课在教学时尝试让学生的学习形式发生改变，以小组为学习主体完成学习过程。在实验1中减少了重复操作过程，为实验2的展开奠定基础。“实验2： 探究pH对过氧化氢酶活性的影响”更关注学生探究实验能力的培养，在重新编制的实验报告的引导下，以生命科学探究的基本步骤为线索，让学生以小组为单位提出假设、设计实验，彼此交流、讨论后修改实验设计，完成个性化的实验探究。

4.1 实验1： 探究酶的特性 学生分小组，两两配合完成实验。

4.1.1 实验操作 一位学生按表1中的顺序分别在1～5号注射器内加入2 mL 3% H2O2，而后再依次加入对应的试剂或材料，在推动注射器的同时，另一位学生同步用计时器记录时间，合作完成对氧气产生速度的测定。

表1 “实验1： 探究酶的特性”实验操作及记录表

注： 3号注射器建议记录时间为5～10 s，其余为20～30 s

图4 “实验1： 探究酶的特性”短时间内产生氧气量比较(注射器内溶液详见表1)

4.1.2 实验结果 在实验1中短时间内积累的气体量可以直观地显示出不同反应的速率差异(图4)。注射器1、 4、 5在30 s内的氧气产生速度为0 mL/s；注射器2反应速度较慢，约为0.4 mL/s；注射器3在1s内就可以基本完成反应，氧气产生速度最大，约为240 mL/s。但是，放置一段时间后还可以发现虽然催化剂的催化效率存在差异，但注射器2和注射器3反应体系中产生的氧气总量相等。

4.1.3 分析讨论得出结论 通过学习单提出4个讨论题，引导学生注意实验设计的原则和目的，分析实验结果得出结论： ①请从实验设计原则分析实验组1(注射器1)的作用。②比较2号和3号注射器的反应速率，可得出怎样的结论？③若要研究温度对酶的活性的影响，应选取哪些试管？能得出什么结论？④5号注射器中加入了多种酶，它们能否分解H2O2，请分析现象得出结论？

通过分析，引导学生进一步理解对照原则，并建立酶具有高效性和专一性的概念。

4.2 实验2： 探究pH对过氧化氢酶活性的影响 以小组为学习主体展开探究性实验，让学生先提出假设，根据给予的条件，参照表1的模式列出实验设计(表2)。

表2 探究pH对过氧化氢酶活性的影响实验步骤和结果记录

4.2.1 给予的实验材料、试剂和仪器 3%过氧化氢溶液、新鲜猪肝匀浆液、溶液A(pH 1)、溶液B(pH 4)、溶液C(pH 7)、溶液D(pH 10)、溶液E(pH 13)、自制注射器若干等。

4.2.2 实验步骤 完成设计后，学生点评分享彼此的实验设计，在讨论分析中发现彼此实验设计的不足并加以修改，形成科学的实验设计，而后完成自主设计的实验。

4.2.3 结果分析 教师电脑上输入全班的数据统计分析(表3)，由于小组之间存在系统误差，表现为标准差较大。

表3 “实验2： 探究pH对过氧化氢酶活性的影响”全班实验结果汇总

要求学生将实验测量的数据转化为曲线，在实验报告中绘制小组实验报告的曲线(图5)，并根据曲线描述溶液pH对过氧化氢酶影响的特点，通过实验建构概念： pH 7时过氧化氢酶的活性最强，低于此pH时，酶活性随pH增大而增强，大于pH7，酶活性随pH增大而下降。

图5 pH对过氧化氢酶活性的影响

5 效果与反思

5.1 建立课堂与生活的联系 酶隐藏在许许多多的生活现象背后，酶制品在生活中也被广泛应用。在课堂引入部分以运动会受伤的生活情境为切入点，关注到“伤口”中的酶，建立对生物催化剂的感性认知，明确学习主题。在教学过程中贯穿生活化的实验材料“猪肝匀浆”和“多酶片”，结合药物说明，引导学生思考多酶片的成分与消化道环境之间的关系，分析其背后蕴含的科学原理，体会科学知识的活学活用。作业则要求学生独立进行科学探究，选择一种加酶洗衣粉完成“探究洗衣粉中某酶的最适温度”的实验探究，学生课后自主选择实验材料，建立生命科学知识和生活的联系，感受酶在生活中的广泛应用。

通过这些取自“生活”的素材引起学生对生活中生物学的关注，激发学生的学习兴趣和探究热情，让学生能够透过生活中的现象，通过生命科学实验研究认识科学本质。

5.2 分析实验方案学习实验设计 让学生进行实验设计的基础是切实掌握实验设计的原则，而对实验设计原则的学习可以充分借助教材中经典成熟的实验方案，让学生在分析实验方案的基础上体会实验设计原则的应用。

本次探究性实验教学以“实验1： 探究酶的特性”为基础，结合自制实验报告中的分析和讨论部分，让学生复习巩固实验设计的原则和方法。例如，讨论1号注射器在实验中的作用，学生大部分可以答出蒸馏水作为空白对照的作用，但除此以外，加入相同体积的溶液也起到了控制变量的目的。

由于教学的时间限制，每组学生并不能依据平行重复原则完成3次以上的实验重复，此时可以从全班的分组来实现平行重复的原则。但由于操作者的不同会存在一定的系统误差，可能导致结果差异较大，因此在科学实验探究中应尽量保证操作人员和过程的一致性。

5.3 在错误中锻炼科学思维 科学思维的培养和科学探究的能力并非一蹴而就，让学生独立完成探究性课题的前提是模仿，让学生能够模仿经典实验展开探究实验，而后再渐渐转化为独立设计研究课题。

探究性实验“实验2： 探究pH对过氧化氢酶活性的影响”是对前一个实验的拓展和挖掘，让学生通过小组讨论做出假设并设计实验。在实验设计部分学生往往会对添加试剂的顺序存在争议，大部分学生会照搬实验1的试剂添加顺序，设计依次加入过氧化氢溶液、猪肝匀浆和不同pH溶液的错误方案。但在讨论中也有部分学生会发现应该先改变酶的活性，设计出先将猪肝匀浆和不同pH溶液混合，再加入过氧化氢溶液。在教学中让学生充分发表自己的设计意图，并预测实验结果，在交流中迸发出思维的火花，共同得出正确的实验设计。

从认识错误到改正错误，学生在交流讨论中彼此学习，完善实验设计，基于相同的实验材料和设计原理完成个性化的实验探究，在提高学生的生命科学实验能力和探究能力的同时，锻炼科学思维，养成严谨的科学探究精神。