葛 暄 徐海麗

(合肥一六八中學 安徽合肥 230031)

科學探究是生物學科的核心素養(yǎng)之一，在中學生物教學中，教師要引導學生主動參與實驗探究過程。《普通高中生物學課程標準(2017年版)》指出：“教學過程要重實踐，教師既要讓學生參與動手活動，又要讓學生積極地融入涉及動腦的環(huán)節(jié)；通過探究類學習活動，加深學生對生物學概念的理解，提升應用知識的能力；同時將STEM整合到實踐活動中?！鄙飳W是一門實驗科學，探究活動在新課改中的應用較為廣泛，通過開展實驗探究活動，一方面鍛煉了學生的實踐應用能力，另一方面也培養(yǎng)了學生的科學探究能力，對于提升學生的生物學核心素養(yǎng)具有重要意義。

“影響酶活性的條件”是人教版高中生物必修一第五章中的一個探究實驗，是個開放性實驗，實驗的方案可以有很多種。關于pH對酶活性的影響，教材中探究的是pH對過氧化氫酶活性的影響。結合科學家的定量分析，將酶分別置于不同的pH條件下，分別測定酶活性的大小，然后繪制出酶活性受pH影響的曲線圖。 通過對曲線圖的進一步分析我們不難得出結論：過酸、過堿都會使酶變性失活，不同的酶都有特定條件下的最適pH。

一、研究的背景和意義

1.研究背景

教育的任務不是避免某種偶然事件，而是充分發(fā)揮它的教育價值所在。本課題來源于課堂生成的問題，筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，部分學生對于pH影響酶活性的曲線圖有些疑惑，他們已經知道過酸、過堿會使酶變性失活，但還有問題：如果把酶放置在低于(或高于)最適pH的溶液中一段時間以后，再將酶所處溶液的pH調至最適pH時，酶的活性將如何變化？筆者查閱了《中學生物教學》和《生物學通報》等相關資料，發(fā)現(xiàn)關于pH對酶活性恢復影響的研究并不是很多，然而此問題一直是一大教學困惑。由于高中學生對于探究實驗有很大的熱情，也為了解決這一教學問題，所以師生一起設計了“探究pH對過氧化氫酶活性恢復的影響”這一實驗。

2.研究意義

通過探究實驗一方面解決了教學疑惑，另一方面激發(fā)了學生學習生物的熱情，培養(yǎng)了學生的動手操作能力、思維能力和解決實際問題的能力。

二、研究過程

本實驗是一個創(chuàng)新實驗，教材中并沒有明確的實驗設計等內容，但是探究實驗的一般流程學生已經掌握，因此學生可以根據已有的知識經驗嘗試設計實驗的步驟。為了使探究實驗能夠達到預期效果，教師應該首先分析學生學習情況，然后確定教學目標，最后指導學生實驗。

筆者對本校學生進行了學情分析。知識方面：學生已經掌握了酶的作用和本質，以及pH對酶活性的影響規(guī)律，同時已經具備相關的化學知識。技能方面：學生對傳感器并不陌生，會進行簡單操作?；谝陨蠈W情，筆者將本實驗課的教學目標確立為以下四個方面：1.形成蛋白質結構和功能相適應的生命觀念；2.培養(yǎng)生物學、化學和數(shù)學相結合的理性思維；3.通過“設計探究實驗步驟，改變自變量，對數(shù)據進行處理、分析，并得出實驗結論”，體會科學探究的過程；4.了解酶制品的貯藏、運輸和使用過程；根據食物特質，指導健康飲食。

1.實驗裝置、儀器、試劑和材料等

本實驗裝置由學生結合跨學科知識自主設計而成，具有一定的創(chuàng)新性，主要利用氧氣傳感器、借助于計算機輔助進行實時記錄。該裝置能夠定量測定氧氣含量，比教材中提供的實驗裝置更加直觀、精確。

實驗儀器：燒杯,量筒,膠頭滴管，移液管，錐形瓶，氧氣傳感器等，電子秤等。

實驗試劑：過氧化氫酶，質量分數(shù)為30%的過氧化氫溶液，濃鹽酸，NaOH固體，新配置的不同pH值溶液。

實驗材料：教材中探究酶活性的實驗材料選用的是肝臟研磨液，但肝臟研磨液不易存儲，學生查閱資料后發(fā)現(xiàn)土豆中也含有較多的過氧化氫酶，于是選用土豆進行實驗，結果發(fā)現(xiàn)用土豆中的過氧化氫酶進行實驗時效果并不明顯，分析原因可能是酶的濃度不夠。于是教師提供純的過氧化氫酶制劑進行實驗。

2.實驗分組

在正式進行本實驗之前，學生通過查閱資料和興趣小組的探究實驗已經得出結論：室溫下，該過氧化氫酶的最適pH為7，圍繞最適pH，教師將全班學生分為以下6組(如表1)。

表1

3.實驗重、難點突破(以A組為例)

本實驗的重點和難點是如何保證在無關變量不變的情況下，將含酶溶液從pH=5調至pH=7，以及因變量(氧氣的含量)如何定量測定。關于重、難點的突破，筆者采取的策略是小組合作：先自主討論，再相互評價，最后師生共同歸納總結。討論的過程激發(fā)學生的積極性，有助于推動學生思維的發(fā)展。

難點1：在控制無關變量一致的情況下，如何把酶的pH從5調至7呢？學生經過討論，結合化學知識，采取策略a：將pH=5的溶液稀釋100倍。教師進一步提問：pH從3到7怎么改變呢？學生思考以后發(fā)現(xiàn)，如果用稀釋的方法，1 mL原液也要稀釋到10000 mL,在這樣的錐形瓶中暫時無法實現(xiàn)。于是學生發(fā)散思維，想到策略b：用pH=11的溶液等體積中和。此時，學生自然想到可以用策略b解決pH從1調至7的問題，這時候教師鼓勵學生采取新的方法，經過學生討論，有了策略c：加入一定量的氫氧化鈉固體。

難點2：因變量如何定量測定？學生最先想到的可能是觀察氣泡多少，或者是用帶火星的小木條檢測，但這些都無法定量測量，那么怎么解決呢？于是教師拿出氧氣傳感器來解決這一難題，此時學生能夠體會到技術對學習的推動作用。

4.實驗步驟(以A1組為例)

(1)取3個潔凈的錐形瓶，分別編號為A、B、C,氧氣傳感器進行校零。

(2)向A、B、C瓶中分別加入新配制的pH=5，pH=5,pH=7的溶液各1 mL。

(3)向A、B、C瓶分別加入等量的過氧化氫酶1 g,輕晃30 s。

(4)向A瓶中加入pH=5的溶液調至100 mL，向B瓶中加入蒸餾水調至100 mL,向C瓶中加入pH=7的溶液調至100 mL。

(5)向A、B、C瓶分別加入質量分數(shù)為30%的過氧化氫溶液2 mL，同時打開傳感器進行氧氣測定。

(6)統(tǒng)計分析，得出結論。

5.實驗結論(如圖1、圖2)

圖2

圖1顯示的是各組氧氣含量變化動態(tài)曲線圖。如何能更加直觀地反映出酶活性的變化規(guī)律？學生可以聯(lián)想到教材，用反應速率來體現(xiàn)酶活性的大小，于是繪制出不同pH條件下每3秒的平均反應速率隨時間的變化圖(如圖2)。學生能夠將數(shù)字信息轉化為圖像信息，說明其對數(shù)據分析、處理的能力有所提高。至此學生得出結論：室溫下，當過氧化氫酶從pH=5調至pH=7時，其活性可以部分恢復， 最大活性仍然低于最適pH時的值。

師生用類似的方法完成了其他組的實驗設計。圖3和圖4是學生繪制的酶促反應速率圖。通過觀察發(fā)現(xiàn)，A1組與B1組結果相似，A2、A3、B2組和B3組結果相似。

圖3

圖4

學生通過對實驗數(shù)據的分析，可以得出如下結論：(1)pH≤3或pH≥11時，過氧化氫酶已經失活，恢復最適pH時酶的活性已經不能恢復。同時也證明了確實存在使酶變性的臨界pH。(2)在酶失活之前，改變酶的pH至最適pH時，酶的活性確實可以部分恢復。

6.實驗結果分析以及繼續(xù)探究

學生嘗試分析上述結論可能的原因：a.酶(蛋白質)的空間結構可能部分被改變，使其活性不能完全恢復；b.酸性環(huán)境影響過氧化氫酶中部分氨基酸的解離狀態(tài)，從而影響了酶的活性……

學生可以繼續(xù)探究以下問題：如何進一步確定使酶失活的臨界pH值呢？pH=5調至pH=7時，酶的活性為什么能夠部分恢復呢？在酶失活之前，其活性減弱的程度是否與偏離最適pH差值有關？……

三、實驗創(chuàng)新之處以及對高中生物實驗教學的啟示

1.實驗創(chuàng)新之處

本實驗是基于教材實驗的拓展和延伸，創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在三個方面。首先，實驗材料的改進：用純的過氧化氫酶做材料，便于控制酶的用量，實驗數(shù)據更加準確。其次，實驗方法的改進：通過3種不同的方式改變自變量，發(fā)散學生的思維。再次，檢測技術的改進：利用氧氣傳感器結合計算機輔助，使實驗結果更加動態(tài)、直觀；pH測試儀+pH試紙，使數(shù)據更加精確。

2.對高中生物實驗教學的啟示

通過“pH對過氧化氫酶活性恢復的影響”這一探究實驗，提高了學生自主思考、合作探究的能力，同時也解決了一線教師教學中的一些困惑。

創(chuàng)新是教育的核心，教育培養(yǎng)的人才不僅要有全面的知識結構，更要有創(chuàng)新的活力，以適應知識經濟的發(fā)展，承擔知識創(chuàng)新的重任。在生物實驗教學中，教師也應該鼓勵學生提出自己的看法，充分利用各種器材設備和技術手段來大膽地進行實驗創(chuàng)新，在探究的過程中充分挖掘自身的創(chuàng)新能力,培養(yǎng)科學嚴謹?shù)膽B(tài)度,從而全面提升自身的生物科學素養(yǎng)。