基于定量思维的《酶的特性》实验改进

陈文娟

一、实验背景

《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之中，这一要求更加突显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，以及在实验中如何培养学生的科学思维是生物教师应该关注的问题。

传统实验主要以定性实验为主，缺乏自主探究实验、定量实验。我以人教版必修一《分子与细胞》模块中第五章第一节《降低化学反应活化能的酶》 第二课时《酶的特性》中的实验为例，与学生合作进行了实验改进。

二、实验目标

通过两个实验（探究温度对α-淀粉酶活性的影响、pH值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），体现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。

1.认识酶的高效性、专一性及其空间结构的独特性和复杂性，了解酶活性受环境因素（温度、pH值等）的影响。

2.自主设计实验并进行科学探究，会控制自变量，观察和检测因变量，控制无关变量，设置对照组和实验组。

3.运用控制变量的方法，将定性实验变成定量实验，并运用数学建模的方法绘制酶活性变化的曲线图。

4.关注酶在生产、生活中的应用，了解现代仪器在生物检测中的作用。

三、实验过程

实验一：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后，一致认为自变量是温度，至少分低温组、高温组和适温组三组。

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后再混合，即控制变量后再混合。

因变量是酶的活性。如果淀粉酶的活性较高，在一段时间内把淀粉水解掉，如果淀粉酶的活性低，淀粉仍有剩余，可加碘液检测颜色的变化，通过淀粉剩余量的多少衡量酶活性的高低。

在教材中，直接从加碘液后的颜色变化到曲线表达，这中间缺乏数学建模的过程，造成了思维断层。因此，我们对教材中的实验进行了改进。

改进1：学生设置了0℃、30℃、60℃、80℃、100℃五个不同的温度体系。图1、图2是小组合作得出的实验结果。

从该实验结果中能看出不同温度体系中加碘液后的溶液颜色有深有浅，并依此粗略判断酶活性的高低。

改進2：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，可以得到具体数值，并利用数值描点画线，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为定量实验。

改进后的实验效果极大地鼓舞了学生，增强了学生的信心，让他们对下一个实验的改进跃跃欲试。

实验二：pH值对过氧化氢酶活性的影响

在实验二中，自变量为pH值，因变量为酶活性。既然pH值是自变量，应该与温度对酶活性影响的实验一样，理论上应该将底物和酶液设置相同的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。

改进1：将底物和酶液设置相同的pH值，由于实际操作中难度较大，所以将实验思路调整为将不同pH值的溶液加入反应体系。首先配制不同pH值的溶液，计算出配制250ml、pH=1的溶液需要2.1ml浓盐酸，配制pH=13的溶液需要1g氢氧化钠。经量取、定容、稀释，分别配制出pH=1、4、7、10、13的五种溶液以备用。

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。

第二步：设置不同pH值的反应体系。用量筒分别量取10ml，pH值为1、4、7、10、13的溶液，并分别置于以上五个锥形瓶中。

第三步（改进2）：加酶，用移液管分别吸取2ml新鲜的20%肝脏研磨液，倒入以上不同pH值的锥形瓶，加酶液的同时塞紧氧气传感器的瓶口。

第四步：反应时间为5分钟，记录不同pH值反应体系中电脑所显示的氧气数值，根据数值绘制酶活性随pH值变化的曲线。

四、实验反思

1.有利于培养学生的定量思维

与动画模拟和教学课件这类信息技术相比，利用仪器定量测量能深入知识内部，展现过程中的细微变化。

本案例中利用紫外可见分光光度计和手持技术（氧气传感器）获取实验结果，并以数值或曲线图等直观形式呈现，既有利于学生定量思维的形成，又能培养学生的科学探究与创新意识。

2.有利于培养学生的学科素养，转变学习方式

高端科研仪器与高中课程融合，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，从而开展更多学生感兴趣、贴近社会热点的生物实验，使学生从“读实验”“背实验”向“做实验”“设计实验”转变。