“酶的作用和本质”概念教学的组织*

2019-08-26赵广宇汪绍鑫谢咏梅

生物学通报 2019年10期

赵广宇汪绍鑫徐杰谢咏梅

（1成都市石室中学四川成都 610041 2四川成都武侯区教科院四川成都 610041）

1 学习内容分析

“酶的作用和本质”是人教版必修1第5章第1节的教学内容，核心任务是引导学生从酶的功能、化学属性、作用机理等角度认识酶的本质与作用，构建“酶”的概念。在《普通高中生物学课程标准（2017年版）》必修1的内容要求中，有关“酶”的概念是分列在大概念2“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”中，是重要概念“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”的下位概念，即“说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到环境因素（例如 pH 值和温度等）的影响”［1］。

围绕与酶相关的概念，以“说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质”为中心，确定本节课的概念体系如下：

A.酶的化学本质是有机物

A1.绝大多数酶是蛋白质

A1.1酶的发现史

A1.2实验验证木瓜蛋白酶的化学属性是蛋白质

A2.少数RNA也具有生物催化功能

A2.1科学史料证明某些RNA也具有催化功能

B.酶具有催化作用

B1.酶的催化作用具有高效性

B1.1实验证明酶具有催化作用，且催化作用具有高效性

B2.酶能显著降低化学反应的活化能

以上概念间的关系可用概念结构图（图1）表示。

图1 酶的概念结构图

2 学习目标

1）说出细胞代谢的概念；阐明酶的概念；说明酶在细胞代谢中的作用；建立细胞的功能是绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域的生命观念。

2）尝试设计实验，学会设置对照、控制变量；学会处理实验数据，得出科学结论；体验基于实验的科学探究方法。

3）通过实验探究、资料分析，探究酶的概念内涵；领悟基于实验及生物学事实的概念构建；学会运用归纳与概括形成生物学概念的科学思维方法。

3 教学设计思路

教材第5章第1节的教学内容包括了“酶的作用和本质”“酶的特性”，本节课选择“酶的作用与本质”作为教学内容，目的是引导学生建立“酶的概念”。

根据以往的教学经验，学生以接受学习的方式学习这部分内容，能掌握“酶”的概念。但基于引导学生自主构建概念的需要，笔者尝试采取实验探究结合资料分析的教学方式，设计相应的学生探究实验，以期引导学生通过观察实验现象、分析实验结果，感知酶的化学属性和功能；通过对科学史资料的分析，获取更多的生物学事实，为构建“酶的概念”奠定坚实基础。

在教学过程中，以螺旋上升式的问题驱动学生的学习活动，促使学生积极主动思维，自主构建概念，真正领悟概念内涵，帮助学生达成对“酶的概念”的理解，实现培养核心素养的目的。

4 教学过程实施

4.1 学习科学史实，感知探究历程

4.1.1 学习代谢概念，提出探究问题教师引导学生首先回顾初中学习过的光合作用等新陈代谢活动，其次回忆新陈代谢的概念。在此基础上，再引出新陈代谢概念的本质——细胞内发生的化学反应。提出问题：细胞内的化学反应为什么能在常温、常压下迅速完成？什么是酶？酶的物质属性是什么？如何知道酶具有催化功能？

4.1.2 感知酶的发现，探究化学属性教师以教材中“酶的本质”部分的“材料分析”内容为基础，并补充部分科学史实资料，感受“酶”的发现历程（图 2）。

图2 酶的发现历程

提出问题：酶的物质属性是否为蛋白质？如何验证？学生根据已有知识，迅速回答：用双缩脲试剂检验。

教师提供木瓜蛋白酶试剂、双缩脲试剂及器材，由学生自主完成实验，结果达到预期（图3）：检验的样品出现紫色，证明木瓜蛋白酶的化学属性是蛋白质。

图3 木瓜蛋白酶化学属性的鉴定

教师提供新的资料：1971年，奥尔特曼用大肠杆菌进行tRNA合成的研究，他顺利找到了核糖核酸酶P，其功能是切开RNA链上的磷酸二酯键，释放出最终的tRNA。这种本质为RNA的酶能加速反应而不被消耗，完全符合酶的特性。1986年，切赫在四膜虫中发现有一种RNA具有自我剪接的双向催化作用，具有类似酶的作用，且既表现有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性，在一定条件下能像酶一样催化寡聚核糖核苷酸底物的切割或连接。其后，其他的科学家陆续发现更多的具有催化自我剪接功能的RNA［2］。

学生分析并得出结论：切赫、奥尔特曼等科学家在不同的实验室，用不同的实验材料均证明某些RNA分子具有生物催化的功能，即具有酶的催化功能。说明酶的化学本质主要是蛋白质，少数RNA也具有催化功能。

4.2 设计定量实验，探究酶的作用

4.2.1 完成教材实验，获取实验现象如何设计实验证明酶的催化功能？教师指导学生完成教材实验“比较过氧化氢在不同条件下的分解速率”，得到预期的结果。教师要求学生分析实验结果、得出结论。学生的结论：过氧化氢在常温下能够分解；加入FeCl3（无机催化剂），反应速度加快；加入酶（生物催化剂），反应速度最快。教师追问：3种条件下，反应速度差异有多大？学生认为需进行定量实验检测，但不知如何开展定量实验。

4.2.2 运用新型装置，定量测定速率教师提供可定量测定实验结果的简易装置（图4）：在白色塑料瓶中盛装反应液，在瓶口处连接导气软管，软管末端加重使之能沉入水中，待气泡流速较稳定时计数，测定每分钟产生的气泡数。该装置材料简单易得、方便制作，产生的气泡速率稳定、在水中现象非常明显，易于观察计数，可在一定程度上定量测定酶促反应的速率。

图4 测定酶促反应速率的装置

学生运用该装置，设计了4组对照实验：常温（37℃）、高温（100℃）、加 FeCl3（无机催化剂）、加新鲜猪肝研磨液（过氧化氢酶），实验结果如表1。

表1 不同处理条件下H2O2分解产生气泡的平均速率

4.2.3 分析实验结果，得出实验结论学生根据实验结果，得出结论：高温能加速过氧化氢的分解；无机催化剂能进一步加速过氧化氢的分解；酶能显著加快过氧化氢的分解。

教师引导学生深入思考：酶能在常温、常压下显著加快反应速度，成为生物体进行生命活动的良好催化剂，其作用机理是什么？

4.3 运用动画技术，阐明作用机理教师抓住学生的疑惑，引出活化能的概念：分子从常态转化为容易发生化学反应的活跃状态需要的能量。正常状态下，只有极少数的过氧化氢分子具有足以发生反应的活化能，故常温下过氧化氢分解很慢。加热、氯化铁、过氧化氢酶都可加快化学反应，其原理是什么？

教师要求学生阅读教材，并巧妙地结合动画（图5）进行讲解：加热、加压都是为分子提供能量，获得能发生化学反应的活化能；无机催化剂和酶都是降低化学反应的“门槛”——活化能，加快化学反应速率。正因为有酶的作用，细胞代谢才能在温和条件下快速进行，满足生命活动的需求。

图5 各种加快化学反应速率的原理动画截图

4.4 归纳探究结论，构建酶的概念教师引导学生在探究性学习的基础上，归纳、概括“酶”的概念。1）酶的化学本质：绝大多数是蛋白质，少数是RNA。2）酶的功能：能显著降低化学反应活化能的，起催化作用的物质。3）酶的来源：核糖体或者细胞核。教师引申出是“活细胞”。最终构建酶的完整定义：酶是活细胞产生的具有催化功能的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。