基于定量思维的“酶的特性”实验改进

陈文娟

(山东省青岛第十七中学 山东青岛 266031)

一、实验背景

（一）社会趋势

《普通高中生物学课程标准》将“科学思维和科学探究”明确纳入生物学科核心素养的维度。这一要求更加凸显了生物实验在生物教学中的重要地位。带领学生开展什么样的探究实验，以及在实验中如何发展学生的科学思维是生物教师应关注的问题。

（二）教材实验不足

传统实验主要以定性实验为主，缺乏学生的自主探究实验、定量实验。照方抓药的实验有禁锢学生思维的不足。为此，教师要聚焦实际，开发实验。实验创新包括运用新技术、新方法、新材料，尝试利用高端科研仪器与高中课程进行融合，将定性实验改进为定量实验。

（三）学情分析

学生创新精神和实践能力不足是“中国制造”到“中国智造”转型的阻碍之一。教师要有意识地引导学生进行创新和实践，发展其解决实际问题的能力。

二、实验思路与创新

（一）实验思路

两个实验：探究温度对α-淀粉酶活性的影响，pH对过氧化氢酶活性的影响。

四个活动：传统实验改进、现代技术应用、实验设计及评价、学科融合运用。

核心素养：通过两个实验，四个活动，发展核心素养的四个维度：生命观念、科学探究、科学思维、社会责任。

（二）实验创新

1.传统实验的改进：师生合作将定性实验改进成定量实验。

2.现代技术的应用：紫外分光光度计、氧气传感器。

3.学科融合：实现了化学和生物的学科融合。

三、教学过程

（一）探究实验1：温度对α-淀粉酶活性的影响

小组讨论有关自变量、因变量、无关变量的相关问题。在小组讨论、交流后，学生一致认为自变量是温度，至少分三组：低温组、高温组和适温组[1]。底物与酶何时混合？学生认为应该在底物与酶达到同一温度条件之后再混合，也就是控制变量之后再混合。因变量是酶的活性。如果淀粉酶的活性较高，在一段时间之后，会把淀粉水解掉；如果淀粉酶活性低，淀粉仍然有剩余。因此，我们可加碘液来检测颜色的变化，通过淀粉剩余量的多少来衡量酶活性的高低。

改进1：学生设置了五个不同的温度体系，0℃，30℃，60℃，80℃，100℃。实验结果能看出不同温度体系中加碘液后的颜色深浅，并依此粗略判断酶活性的高低。

改进2：教师可利用紫外可见分光光度计对加碘后的溶液进行吸光值的测量，就可以得到具体数值，并利用数值描点划线，就可以绘制出温度对酶活性的影响曲线，从而将定性实验转变成定量实验。

效果：新技术手段的应用可将定性实验转变成定量实验。数据就是证据。回归科学发现的原点，学生可利用自己实验获取的数据，发现生物规律。这一改进效果极大地鼓舞了学生的热情，增强了学生的信心，使他们对改进实验总是跃跃欲试。

（二）探究实验2：pH对过氧化氢酶活性的影响

自变量为pH，因变量为酶活性。既然pH值是自变量，其应该和温度对酶活性影响的实验一样。理论上，我们应该将底物和酶液设置成同一pH值，达到所控制条件之后，再混合对应的底物和酶液，反应相同时间，测量实验结果，得出实验结论[2]。

改进1：将底物和酶液设置成同一pH值在实际操作中难度较大。因此，我们应将实验思路调整为，将不同pH值的溶液加入到反应体系中。我们可先配制不同pH值的溶液，计算出配制250mlpH=1的溶液，需浓盐酸2.1ml；配制pH=13的溶液需要氢氧化钠1g。经量取、定容、稀释，我们分别配制出pH=1、4、7、10、13的五种溶液以备用。

实验：第一步：加底物，将20ml3%的过氧化氢溶液注入1～5号250ml的锥形瓶中。

第二步：设置不同pH的反应体系，用量筒分别量取10mlpH为1、4、7、10、13的溶液置于以上五个瓶中。

改进2：第三步：加酶，用移液管分别吸取2ml新鲜的20%的肝脏研磨液，倒入以上不同pH值的锥形瓶中，在加酶液的同时将氧气传感器塞紧瓶口。

第四步：反应时间五分钟，学生要记录不同pH反应体系中电脑所显示的氧气数值，并根据数值绘制酶活性随pH值变化的曲线。

效果：应用现代技术测量数据，绘制曲线，从定性到定量，有利于发展学生利用数学建模表达研究结果的能力。

四、实验反思

（一）有利于学生定量思维的形成

在温度对α-淀粉酶活性的影响实验中，我们利用紫外可见分光光度计对加碘后的溶液进行吸光值的测量。在pH对过氧化氢酶活性的影响实验中，我们将手持技术中的氧气传感器引入到对实验结果的测量。这两个仪器的使用都将以往无法呈现的实验数据有力地表现了出来。与动画模拟和教学课件这类信息技术相比，定量测量的仪器能够深入生物知识内部，测出生物过程中微小的变化，真实反映事物内部的细微变化。本案例中利用紫外可见分光光度计和手持技术获取实验结果，并对结果实现具体数值或曲线图等直观形式的表达，有利于学生定量思维的形成，也有利于培养学生的科学探究与创新意识。

（二）有利于培养学生的学科素养，转变学生的学习方式

高端科研仪器与高中课程的融合为开展实验探究提供了有利条件，能使传统的实验过程定量化、直观化、精确化，从而能开发更多学生感兴趣，且贴近社会热点的生物实验，渗透“生物—技术—社会”教育，使学生从“读实验”“背实验”向“做实验”“设计实验”转变。