“pH对酶活性影响的定量分析”实验改进教学设计

张琪

“一切都要经过实验”是现代实验生物学奠基人摩尔根的科研信条。生物学作为一门实验性学科，实验教学是中学生物教学的重要组成部分，也是全面实施素质教育最有效的途径。探究性学习是一种学习方式，同时又是一个积极的学习过程。它是指在教学中创设一种类似于学术研究的情境，从学科领域或现实生活中选择和确定研究主题，学生展开调查与研究，通过自主独立地发现问题、实验操作、调查、信息收集与处理、表达与交流等探索活动，获得生物学学科核心素养的发展，特别是探索精神和创新能力发展的学习方式和学习过程。本节课采取探究性教学模式，在问题驱动和实验创新的载体下，培养学生创造性思维和分析归纳的能力，提高学生的实验创新和信息技术的应用能力。

1实验设计意图

“探究酶活性的影响因素”实验能极大限度发挥学生的主体作用，对于培养学生科学思维、科学探究能力等生物学学科核心素养有重要意义。另外，在探究过程中，教师可以让学生体验科学探究的成功与失败，形成良好的自我认知和自我评价。教师要促进学生用发现的眼光从生活中取材，对实验进行改进。

2教材分析和学情分析

“探究酶活性的影响因素”是高中生物《必修1·分子与细胞》模块的第二个探究实验，包括温度和pH对酶活性的影响两个探究实验。通过实验探究，学生可以亲自获得酶的活性受到温度和酸碱度影响的实验证据，同时为后面学习影响呼吸作用和光合作用的因素等知识奠定基础。

学生已经学习酶的本质，了解了酶的作用机理及特性，并且在学习“探究植物细胞吸水和失水”后，对实验探究方法有了一定的体验和感悟，可初步设计简单实验。在本实验中，学生将由从定性观察上升为定量实验。此过程中的数据采集和变量控制对学生而言是一个挑战。

3教学目标

①初步掌握探究实验的一般方法，学会控制变量和设计对照实验。

②尝试自己动手设计实验装置和方案，并对实验方案进行改进。

③根据实验结果，说出pH的变化对酶活性的影响，并分析原因。

④体验科学探究的艰难，形成严谨的科学态度及创新、合作的科学精神。

4教学设计

4.1教师引导，提出问题

教师展示关于过氧化氢酶的资料，并指出：过氧化氢酶可以催化过氧化氢分解成水和氧气，因此可以通过检测氧气产生间接测定过氧化氢酶的活性。在动物肝脏和置于空气中易变色的植物材料中过氧化氢酶的活性较高。这些可以为学生选择实验选材提供依据。

4.2小组合作.设计实验

教师根据教科书提供的实验方案，提出问题：①猪肝易变质，能否用植物材料代替？怎样确定最佳实验材料？②观察过氧化氢分解产生气泡的多少及卫生香复燃程度具有主观性，难于量化，应怎样进行定量实验？③pH影响酶活性的曲线是如何绘制的？

在学生思考讨论的基础上，教师指导学生完成3个探究实验：①比较不同植物中过氧化氢酶的活性（通过定性观察、两两比较进行对照实验）;②不同pH对某植物材料中过氧化氢酶活性的影响;③探究某植物材料中过氧化氢酶的最适pH（由定性观察上升到定量实验）。

4.3对实验方案的改进

实验试剂与器材包括：u型气压计，pH计，电脑，秒表，u型试管，锥形瓶，注射器，橡胶管，橡胶塞，玻璃管，止水夹，铁架台，研钵，过氧化氢溶液（3%），盐酸，NaOH溶液，酸性（pH=6）、中性（pH=7）及碱性（pH=8）的缓冲液，新鲜猪肝，马铃薯，香蕉，胡萝卜，红墨水等。

4.3.1对实验材料进行改进

教师指导学生利用给出的仪器组装实验装置（图1），完成探究①“比较不同植物中过氧化氢酶的活性”。装置的U型管内装有适量红墨水，两侧各连接一个相同的锥形瓶，各装有20 mL不同植物组织的研磨液。锥形瓶上方各连接一个相同的注射器，内装有2 mL体积分数为3%的过氧化氢溶液。

实验开始前，学生利用已有的化学知识进行气密性检查，并巧妙设计了检查方法：利用其中一个注射器向空的装置内注射一定量的空气。一段时间后，液面保持不变，说明气密性良好，可以进行实验。实验开始后，将注射器中的过氧化氢溶液同时注射到锥形瓶中，轻轻摇匀。一段时间后，观察液面的高度差，由此可确定哪种材料中过氧化氢酶的活性较高。

在该过程中，教师注意引导学生思考：①本实验的自变量是什么？②如何排除无关变量对实验结果的影响？例如，用打孔器将植物材料打出均匀的长条并截取相同长度进行研磨，在研磨过程中加入等体积的蒸馏水，注射器中要装入等体积等浓度的过氧化氢溶液等。

通过该u型管装置，学生可以比较出不同组织中过氧化氢酶的活性，依次为肝脏>马铃薯>香蕉>胡萝卜（图2）。因此，选择马铃薯作为最佳实验材料，进行接下来的实验探究。

4.3.2对实验装置进行改进

教师提出问题：马铃薯中的过氧化氢酶在酸性（pH=6）、中性（pH=7）和碱性（pH=8）条件下的催化效率会發生怎样的变化？并指导学生利用气压计进一步改进实验装置（图3）。u型气压计内装有少量红墨水，初始液面在0刻度线处，一段与外界空气相通，另一端通过橡胶管与锥形瓶相连，内装有10 mL某种pH的缓冲液和10 mL马铃薯研磨液。锥形瓶上方注射器内装有2 mL体积分数为3%的过氧化氢溶液。在用注射器注入一定体积的过氧化氢溶液时，会对气体体积的测量造成影响，为消除该影响，在u型气压计和锥形瓶之间通过一个Y型玻璃管增加了一个止水夹。另外，由于酶具有高效性，为防止反应过于剧烈，水从气压计管道中冲出，应将马铃薯研磨液稀释至10%。

实验开始前，同样用空气注射法检查装置气密性。实验开始时，先打开止水夹，将过氧化氢溶液注射进去，再迅速关闭止水夹，记录15 s后气压计的读数，即过氧化氢分解产生的氧气的体积。重复实验后，依次测定其他pH条件下氧气的体积。这样，由定性观察上升为定量分析，完成了探究②“不同pH对马铃薯中过氧化氢酶活性的影响”。本实验最主要的目的是作为接下来探究最适pH的预实验。

4.3.3对实验实施的具体条件进行改进

教师指导学生利用pH计，改进实验条件，进一步缩小pH梯度，依次测定不同pH条件下过氧化氢分解产生氧气的体积，然后利用电脑软件绘制成曲线图，得出马铃薯最适pH约为6.4。

4.4汇报成果。交流讨论

此外，学生还对胡萝卜、香蕉和猪肝中过氧化氢酶的最适pH做了探究，并进行汇报交流。

教师提出问题：利用酶的特性可以服务于我们生活吗？并展示多酶片的资料，引导学生思考多酶片分层包衣片的作用。这样可以让学生深刻体会生物学的美，培养“生物就在身边”的情感态度。

5教学反思

以马铃薯为实验材料，易取材、易储存且易研磨，实验效果好。用U型试管装置做对照试验，现象非常明显。通过U型气压计液面高度差，来测定氧气的体积，科学且准确。

倡导探究性学习是高中生物学课程标准理念之一。开展探究性学习有利于构建科学知识，有利于激发学生创新意识、培养实践能力，有利于培育科学思维、科学探究等生物学学科核心素养。同时，探究性实验也是每年高考必考且难度最大的一个考点。探究性实验将学生的自主探究与高考目标要求中实验设计能力培养相融合，让学生从探究中训练思维逻辑，获得解决问题的方式，培养团队合作精神，对于提高学生的生物学学科核心素养有重要的意义。