陳文娟
一、實驗背景
《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》將“科學(xué)思維和科學(xué)探究”明確納入生物學(xué)科核心素養(yǎng)之中,這一要求更加突顯實驗在生物教學(xué)中的重要地位。帶領(lǐng)學(xué)生開展什么樣的探究實驗,以及在實驗中如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是生物教師應(yīng)該關(guān)注的問題。
傳統(tǒng)實驗主要以定性實驗為主,缺乏自主探究實驗、定量實驗。我以人教版必修一《分子與細(xì)胞》模塊中第五章第一節(jié)《降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶》 第二課時《酶的特性》中的實驗為例,與學(xué)生合作進(jìn)行了實驗改進(jìn)。
二、實驗?zāi)繕?biāo)
通過兩個實驗(探究溫度對α-淀粉酶活性的影響、pH值對過氧化氫酶活性的影響)、四個活動(傳統(tǒng)實驗改進(jìn)、現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用、實驗設(shè)計及評價、學(xué)科融合運用),體現(xiàn)核心素養(yǎng)的四個維度:生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、社會責(zé)任。
1.認(rèn)識酶的高效性、專一性及其空間結(jié)構(gòu)的獨特性和復(fù)雜性,了解酶活性受環(huán)境因素(溫度、pH值等)的影響。
2.自主設(shè)計實驗并進(jìn)行科學(xué)探究,會控制自變量,觀察和檢測因變量,控制無關(guān)變量,設(shè)置對照組和實驗組。
3.運用控制變量的方法,將定性實驗變成定量實驗,并運用數(shù)學(xué)建模的方法繪制酶活性變化的曲線圖。
4.關(guān)注酶在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用,了解現(xiàn)代儀器在生物檢測中的作用。
三、實驗過程
實驗一:溫度對α-淀粉酶活性的影響
小組討論有關(guān)自變量、因變量、無關(guān)變量的相關(guān)問題后,一致認(rèn)為自變量是溫度,至少分低溫組、高溫組和適溫組三組。
底物與酶何時混合?學(xué)生認(rèn)為應(yīng)該在底物與酶達(dá)到同一溫度條件后再混合,即控制變量后再混合。
因變量是酶的活性。如果淀粉酶的活性較高,在一段時間內(nèi)把淀粉水解掉,如果淀粉酶的活性低,淀粉仍有剩余,可加碘液檢測顏色的變化,通過淀粉剩余量的多少衡量酶活性的高低。
在教材中,直接從加碘液后的顏色變化到曲線表達(dá),這中間缺乏數(shù)學(xué)建模的過程,造成了思維斷層。因此,我們對教材中的實驗進(jìn)行了改進(jìn)。
改進(jìn)1:學(xué)生設(shè)置了0℃、30℃、60℃、80℃、100℃五個不同的溫度體系。圖1、圖2是小組合作得出的實驗結(jié)果。
從該實驗結(jié)果中能看出不同溫度體系中加碘液后的溶液顏色有深有淺,并依此粗略判斷酶活性的高低。
改進(jìn)2:利用紫外可見分光光度計對加碘后的溶液進(jìn)行吸光值的測量,可以得到具體數(shù)值,并利用數(shù)值描點畫線,就可以繪制出溫度對酶活性的影響曲線,從而將定性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉嶒灐?/p>
改進(jìn)后的實驗效果極大地鼓舞了學(xué)生,增強(qiáng)了學(xué)生的信心,讓他們對下一個實驗的改進(jìn)躍躍欲試。
實驗二:pH值對過氧化氫酶活性的影響
在實驗二中,自變量為pH值,因變量為酶活性。既然pH值是自變量,應(yīng)該與溫度對酶活性影響的實驗一樣,理論上應(yīng)該將底物和酶液設(shè)置相同的pH值,達(dá)到所控制條件之后,再混合對應(yīng)的底物和酶液,反應(yīng)相同時間,測量實驗結(jié)果,得出實驗結(jié)論。
改進(jìn)1:將底物和酶液設(shè)置相同的pH值,由于實際操作中難度較大,所以將實驗思路調(diào)整為將不同pH值的溶液加入反應(yīng)體系。首先配制不同pH值的溶液,計算出配制250ml、pH=1的溶液需要2.1ml濃鹽酸,配制pH=13的溶液需要1g氫氧化鈉。經(jīng)量取、定容、稀釋,分別配制出pH=1、4、7、10、13的五種溶液以備用。
第一步:加底物。將20ml3%的過氧化氫溶液注入1—5號250ml的錐形瓶。
第二步:設(shè)置不同pH值的反應(yīng)體系。用量筒分別量取10ml,pH值為1、4、7、10、13的溶液,并分別置于以上五個錐形瓶中。
第三步(改進(jìn)2):加酶,用移液管分別吸取2ml新鮮的20%肝臟研磨液,倒入以上不同pH值的錐形瓶,加酶液的同時塞緊氧氣傳感器的瓶口。
第四步:反應(yīng)時間為5分鐘,記錄不同pH值反應(yīng)體系中電腦所顯示的氧氣數(shù)值,根據(jù)數(shù)值繪制酶活性隨pH值變化的曲線。
四、實驗反思
1.有利于培養(yǎng)學(xué)生的定量思維
與動畫模擬和教學(xué)課件這類信息技術(shù)相比,利用儀器定量測量能深入知識內(nèi)部,展現(xiàn)過程中的細(xì)微變化。
本案例中利用紫外可見分光光度計和手持技術(shù)(氧氣傳感器)獲取實驗結(jié)果,并以數(shù)值或曲線圖等直觀形式呈現(xiàn),既有利于學(xué)生定量思維的形成,又能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。
2.有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng),轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式
高端科研儀器與高中課程融合,為開展實驗探究提供了有利條件,能使傳統(tǒng)的實驗過程定量化、直觀化、精確化,從而開展更多學(xué)生感興趣、貼近社會熱點的生物實驗,使學(xué)生從“讀實驗”“背實驗”向“做實驗”“設(shè)計實驗”轉(zhuǎn)變。
發(fā)明與創(chuàng)新·中學(xué)生2020年6期