基于生物学核心素养的“探究影响酶活性的条件”实验教学设计

朱 昊

(河北省秦皇岛市山海关第一中学 秦皇岛 066299)

1 教材分析及设计思路

“探究影响酶活性的条件”是人教版高中生物学必修1《分子与细胞》第5章第1节中的内容。在此之前，学生已经学习了酶的相关知识和“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验，这为本次实验奠定了基础。同时本次探究实验，有助于学生理解光合作用和细胞呼吸。《普通高中生物学课程标准(2017年版)》对本部分的内容要求是： 说明酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响。

该探究实验包括两个子课题——探究pH和温度对酶活性的影响，课容量较大，对学生的实验操作水平要求较高，而且教材没有提供具体的实验方案。为此，需要优化实验条件及教学组织，保证在一节课的时间内完成影响酶活性的条件的探究。本节课依据科学探究实验的一般流程展开，旨在培养学生的科学思维和科学探究等生物学学科核心素养。

2 教学目标

基于课程标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 学会在真实情境下做出假设、设计实验、分组实施及结果分析等步骤，掌握科学探究的思路和方法，发展科学思维。

(2) 通过对实验方案的评价、修改和完善，学会推理、归纳、质疑、批判等科学思维方法。

(3) 通过实验探究，形成“酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响”这个科学概念。

3 实验装置设计及实验方法优化

(1) “探究pH对H2O2酶活性的影响”实验装置： 由两个20 mL注射器、一段输液管以及一个调节旋钮组成(图1)，用蒸馏水配制一定浓度的酵母菌溶液(安琪干酵母粉)作为过氧化氢酶的来源。该实验装置的制作更简单，材料易获得，不仅可以定量控制酶和底物的用量，使反应发生和定量测定在同一个注射器中进行，而且小组内的几名学生同时操作，可以使反应同时进行，操作更简便，实验数据易获得。

图1 “探究pH对H2O2酶活性的影响”的实验装置

(2) “探究温度对淀粉酶活性的影响”实验方法的优化： ①选择淀粉和α-淀粉酶为实验材料，碘液为检测试剂，α-淀粉酶溶液的浓度调整为0.25%；②保温时间至少延长至8 min；③高温组水浴温度调整为85℃；④采用白色点滴板观察现象。

4 教学过程

4.1 教学前的准备 教师提前准备各种试剂及器材并布置作业，请学生参照教材，设计“探究pH和温度对酶活性的影响”的实验方案，教师收集方案并批阅，选出典型的实验方案。同时教师组织兴趣小组按照典型实验方案进行预实验，记录实验现象并录成微视频。

4.2 创设情境，导入新课 教师出示资料： ①当人消化不好的时候，医生会给开多酶片，多酶片说明书上面写着“多酶片是由胰酶、胃蛋白酶复合而成，该药品在酸性条件下易破坏”；②“雕牌”超效加酶洗衣粉，其包装袋上印有“成分： 含有生物酶等，用法： 用温水溶液进行浸泡衣服”。此时教师提出问题：“为什么多酶片在酸性条件下易破坏呢？为什么用温水浸泡衣服呢？”教师引导学生做出相应的假设： pH、温度可能会影响酶的活性。那么假设是否正确呢？需要我们通过实验来验证我们的假设是否正确。

设计意图： 培养学生自主学习和实验设计的能力，将典型实验方案录成微视频，为学生评价实验方案奠定基础，通过创设生活化的真实情境，引导学生做出合理的假设，从而引出科学探究的一般流程。

4.3 师生评价、修改、完善“探究pH对酶活性的影响”实验方案 教师播放课前录制的微视频，以此来呈现学生设计的典型实验方案(例如： 取3支洁净的试管，编号1、 2、 3；各加入1 mL的淀粉酶溶液；分别加入3滴5% HCl、 5% NaOH和蒸馏水摇匀,维持5 min；各注入2 mL可溶性淀粉溶液；各滴入1滴碘液，观察实验现象)，让学生从可行性和科学性的角度，评价实验方案。教师组织学生讨论，然后由学生代表展示： 该方案加入5% NaOH的试管中没有出现蓝色，与预期结果不符，该方案不具有可行性。

此时教师出示文献资料1： 碘与NaOH反应，产生无色的碘化钠和次碘化钠，失去作为检测试剂的功能，影响对实验结果的判断[1]。学生通过分析资料，得出结论： 碘与NaOH反应是导致实际结果与预期不符的原因所在。教师追问：“真的不能用碘液检测吗？”教师顺势出示文献资料2： 将0.01 mol/L HCl溶液、0.01 mol/L NaOH溶液设置为酸、碱环境条件，检测试剂为碘液的反应体系为： 3%淀粉溶液与0.1% α-淀粉酶溶液各1 mL，25℃下反应5 min[2]。学生通过分析资料，得出结论： 只要优化酸碱条件，也可以用碘液检测。基于上述分析，学生认为选择用过氧化氢酶探究pH对酶活性的影响更合适。

教师再次提出问题： 如何设计实验，定量探究pH对H2O2酶活性的影响呢？教师课前指导兴趣小组上网查阅文献，了解该实验的研究现状并设计实验方案，课上由学生代表进行汇报，最后师生共同评价和完善实验方案。

4.4 师生评价、修改、完善“探究温度对酶活性的影响”实验方案 教师出示“探究温度对酶活性的影响”的典型实验方案(例如： 取3支洁净的试管，编号1、 2、 3；分别加入2 mL可溶性淀粉溶液；各注入1 mL的淀粉酶溶液，摇匀后，维持5 min；分别放入在60℃水、沸水和冰水中，维持各自的温度5 min；各滴入1滴碘液，摇匀，观察实验现象)，让学生从可行性和科学性的角度，评价实验方案。

教师组织学生讨论，然后由学生代表展示： 该方案缺乏科学性、严谨性。因为加入淀粉酶之后再控制温度，那么当淀粉酶一加入，其中的淀粉酶马上催化淀粉水解，会产生实验误差，对实验结果造成干扰。此时教师出示文献资料3： α-淀粉酶失活的温度为85℃，使α-淀粉酶失活的保温时间至少控制在6 min[3]。将α-淀粉酶的质量分数降至0.25%，实验获得了良好的重现性[4]。学生分析资料，然后师生共同完善实验方案。

设计意图： 以文献资料为支架，按照从呈现典型实验方案到初次评价实验方案再到进一步评价完善实验方案的思路进行教学，不仅符合学生的认知规律，而且让学生体会到科学研究的方法。

4.5 分组实验，合作探究 教师出示探究活动内容及任务分工，组织全班学生同时开展两个探究实验。

活动一 提供以下实验材料： 1% H2O2溶液、2%酵母菌溶液、注射器、输液管、不同的pH溶液，探究pH对H2O2酶活性的影响。(组1—5完成该实验，组长用手机将实验结果拍照上传到班级微信群，并将本组数据填写到电脑端的Excel表格中。)

活动二 提供以下实验材料： 温度计若干支、60℃水浴、0℃冰水混合物、90℃水浴、3%淀粉溶液、0.25%淀粉酶溶液、碘液、探究温度对淀粉酶活性的影响(组6—10完成该实验，组长用手机将实验结果拍照上传到班级微信群)。

4.6 结果分享，分析交流 学生分析和交流能力是学科核心素养之科学探究能力中的重要评价指标。

4.6.1 “探究pH对H2O2酶活性的影响”的实验结果及分析 学生利用手机将实验结果上传到班级微信群，然后师生共同点评。组长将实验数据填到Excel表格中，自动生成数学曲线图(图2)，然后学生分析曲线图，归纳得出结论： 随着pH的增加，单位时间内气体产生量先增加后减少，在pH 7左右，气体产生量最大。因此，过酸、过碱会使酶失去活性，酶活性在最适pH的时候最大。

图2 pH对酵母菌过氧化氢酶活性的影响

4.6.2 “探究温度对淀粉酶活性的影响”的实验结果及分析 教师利用希沃授课助手同屏技术将实验结果(图3)投在大屏幕上，学生发现实验结果与预期不符。提出质疑：“为什么0℃组没有出现预期的蓝色，而出现红褐色？”教师出示文献资料5： 淀粉酶水解淀粉是一个逐步进行的过程，淀粉水解不同阶段的中间产物遇碘有不同的颜色反应，最后才形成遇碘不显色的麦芽糖和葡糖糖，其颜色变化顺序依次为紫蓝色(淀粉)→紫色→红褐色→红棕色→无色(麦芽糖、葡糖糖)[4]。学生分析资料，得出结论： 低温并没有完全丧失酶的活性，低温组比60℃组的酶活性低而已，所以没有被彻底水解变成麦芽糖和葡糖糖，而是形成了中间产物。

图3 “温度对淀粉酶活性的影响”的实验结果

教师追问：“低温组如果升高温度，能否提高酶活性？而高温组如果降低温度，酶活性能否恢复？”此时教师出示兴趣小组的实验结果(图略)，学生分析结果并得出结论： 低温组如果升高温度，酶活性也随之提高，而高温组降低温度，酶活性不会恢复。

设计意图： 通过两个探究实验，让学生亲历科学探究的过程，引导学生学会描述观察到的实验现象；在探究过程中，学会与同学主动合作，并交流结果；学会基于事实和证据，运用归纳和概括等思维方法，进行逻辑推理，阐明“酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响”这一科学概念，从而发展学生的科学思维。

4.7 回归生活，学以致用 教师出示资料： 多酶片的主要成分是胃蛋白酶、淀粉酶和胰酶，而它们各自的作用方式及环境各不相同。前两者是在酸性环境下活性大，而后者是在中性及偏碱环境下活性大，所以不能混用。根据此性质，药厂将这三种药制成“双层片”，即先将胰酶包肠溶衣片，再将胃蛋白酶，淀粉酶包在外层。请同学们利用所学知识解释“为什么服用此药不能嚼碎，而应整片吞服？”

5 教学反思

本节课是以多酶片、加酶洗衣粉这一真实情境为导向，依据科学探究实验的一般流程展开，旨在培养学生的科学思维和科学探究等生物学学科核心素养。通过科学合理分组、同时探究两个子实验，在探究过程中，充分利用希沃授课助手中同屏技术以及Excel软件的数据处理功能，实现了师生之间的有效互动，大大提高了实验课的教学效率，从而保证在一节课的时间内完成影响酶活性的条件的探究，使教学目标得到有效落实。