定量法改进酶实验

韩艳丽

（东营市第一中学 山东·东营 257100）

1 学情分析

知识基础：高一学生在初中学习过相关内容，对酶的相关知识有一定的浅层次的了解，经过高中前一阶段生物课程的学习，学生已经生物体内的很多化学反应离不开酶的催化，但对酶的反应机理和作用特性还不清楚。

能力基础：有热情，但主动性不强，习惯被动地接受知识，缺乏深层次的思考，独立探究能力有待培养。

因此，教学中注意对学生进行异质分组，让学习能力、探究能力较强的同学担任组长，并设置好问题情景，让学生观察、动手、思考和讨论，逐步完成教学目标。

2 教学目标

基于教材分析和学情分析，制定了以下教学目标：

（1）通过对酶相关实验的定量改进，理解酶在代谢中的作用、本质和特性，发展科学思维。

（2）通过学生的设计实验和实验操作，培养实验探究能力，促进探究性思维发展。

（3）探讨酶在生产生活中的应用，形成社会责任感。

3 教材装置的局限性及改进

3.1 教材装置的局限性

在教学实践过程中，我们发现，传统装置存在一定的局限性：

（1）“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，反应刚开始时，卫生香复燃明显，在反应剧烈进行时，卫生香反而熄灭。学生分析：装置完全开放，且过氧化氢分解会产生大量含水的气泡，影响卫生香的燃烧，导致误差较大；当产生大量氧气时，卫生香燃烧剧烈，存在安全隐患（图1）。

图1：比较过氧化氢在不同条件下的分解

（2）“探究温度/pH对酶活性的影响”实验中只能进行定性观察，无法定量比较，不易构建数学模型。

3.2 实验的改进

3.2.1 第一次改进：将U型管作为反应容器

U型管两侧连通锥形瓶，锥形瓶内分别加入等量的肝脏研磨液和FeCl3溶液，然后用注射器同时注入等量H2O2溶液。通过比较U型管内液面高度差变化，可直观看出哪一侧气体产生量更多（图2）。

图2：将U型管作为反应容器

通过该装置，我们可以明显观察到肝脏研磨液催化效率远高于FeCl3的催化效率。但是，也有学生指出了其中的不足：U型管两侧同时产生气体，导致装置内压强增大快，危险性较大；不能定量检测气体量。

3.2.2 第二次改进：将注射器作为反应容器

在大注射器中装入等量的H2O2溶液，小注射器中装入等量的肝脏研磨液和FeCl3溶液，同时推动小注射器，并关闭夹子防止气体进入小注射器。该装置操作简单、控制方便、通过注射器刻度即可获知准确产气量。且通过比较不同时刻的产气量，学生非常容易理解：酶具有高效性；酶作为催化剂只改变反应速率不改变反应平衡点（图3）。

图3：将注射器作为反应容器

当然，该装置也存在一定的局限性。一个学生只能同时推动两支注射器。而像温度、pH对酶活性影响的实验，却需要多组实验同时进行，如果再利用该装置就会使操作特别烦琐。

那么，该如何解决这个问题呢？师生经过多次讨论、实验，最后，借助3D打印技术制作了如下装置：

3.2.3 第三次改进：实现多组实验同时进行（图4）

图4：多组反应同时进行装置

通过加装小试剂槽（图5）来来暂时存放溶液，试剂槽的上方连通导管，可将气体导出，试管架的一侧通过将转轴（图6）卡在不同小孔中来调节试管处于不同的角度，试管倾斜，保证小试剂槽的液体不落下，试管垂直后，又可让试剂槽内的液体同时落下，保证反应同时开始。右侧水槽通过排水法收集气体，为了读数准确，我们采用的是量筒集气，为了观察方便，我们还在水槽中滴加了几滴红墨水。

图5：试剂槽

图 6：转轴

3.3 改进后装置的延伸应用

3.3.1 延伸应用一：探究pH对酶活性的影响

通过该装置，我们能更方便的探究pH对酶活性的影响。在大试管中分别加入等量的肝脏研磨液和等量不同pH的溶液，在试剂槽中加入等量的H2O2溶液（表1）。反应开始后，通过比较排水量反应酶（图7）活性变化。学生通过多次实验，记录实验数据，就可构建出pH对酶活性的影响的数学模型。

表1

图7：反应结果（第30S）

3.3.2 延伸应用二：同时探究酶的高效性和专一性（图8）

图8：同时探究酶的高效性和专一性

在三支试管中分别加入等量的FeCl3溶液、肝脏研磨液和淀粉酶溶液，在试剂槽中加入等量的H2O2溶液。通过比较1号和2号可以说明酶具有高效性，通过比较2号与3号可以说明酶具有专一性。

3.3.3 延伸应用三：探究温度对酶活性的影响（图9）

图9：探究温度对酶活性的影响

通过加装小水槽来探究温度对酶活性的影响。图10是学生探究“温度对唾液淀粉酶活性的影响”的实验结果，可以看出不同温度组碘液蓝色褪去程度不一样。

图10：探究温度对唾液淀粉酶活性的影响实验结果

4 教学过程──以温度/pH对酶活性影响为例

4.1 创设情境、导入新课

以“加酶洗衣粉要求温水浸泡”和“唾液淀粉酶到胃中失活”为例引入。

4.2 实验过程

引导学生回顾“探究实验的一般流程”。通过探究实验的流程引导学生“设计实验，写出实验思路；组装装置，进行实验”。这也是本节实验的重、难点。根据不同的实验方案，让学生分组执行不同实验过程。整个实验操作既可以锻炼他们的动手操作能力，也可以培养他们的团队协作精神。让学生的实验技能在实践中得到升华。

4.3 结果分析与交流

小组派代表对实验结果展示。

4.4 反思与评价

本节课通过学生自评、小组成员互评和教师总评的综合评价机制（表2），让学生在评价中肯定自己的成绩,明晰实验操作中问题，不断提升自我。

表2：实验评价表

4.5 课外实践

引导学生通过查阅资料，了解酶在生产生活中的巨大应用。

5 教学反思

改进后的实验装置简化了实验流程，由定性分析上升到定量分析，让学生在量的变化中了解事物的本质；突出学生的主体地位，在不断的质疑和改进过程中，学生发现问题并寻求解决方案，培养了批判性思维和创新性思维；体现STEAM教学，我们的实验装置都是学生小组合作探究设计并制作的。在这个过程中，学生需要将多学科知识与技术和工程，甚至是艺术相结合，感知科学技术与实践之间的紧密联系，很好的培养了STEAM素养。