葛 暄 徐海丽

(合肥一六八中学 安徽合肥 230031)

科学探究是生物学科的核心素养之一，在中学生物教学中，教师要引导学生主动参与实验探究过程。《普通高中生物学课程标准(2017年版)》指出：“教学过程要重实践，教师既要让学生参与动手活动，又要让学生积极地融入涉及动脑的环节；通过探究类学习活动，加深学生对生物学概念的理解，提升应用知识的能力；同时将STEM整合到实践活动中。”生物学是一门实验科学，探究活动在新课改中的应用较为广泛，通过开展实验探究活动，一方面锻炼了学生的实践应用能力，另一方面也培养了学生的科学探究能力，对于提升学生的生物学核心素养具有重要意义。

“影响酶活性的条件”是人教版高中生物必修一第五章中的一个探究实验，是个开放性实验，实验的方案可以有很多种。关于pH对酶活性的影响，教材中探究的是pH对过氧化氢酶活性的影响。结合科学家的定量分析，将酶分别置于不同的pH条件下，分别测定酶活性的大小，然后绘制出酶活性受pH影响的曲线图。 通过对曲线图的进一步分析我们不难得出结论：过酸、过碱都会使酶变性失活，不同的酶都有特定条件下的最适pH。

一、研究的背景和意义

1.研究背景

教育的任务不是避免某种偶然事件，而是充分发挥它的教育价值所在。本课题来源于课堂生成的问题，笔者在教学中发现，部分学生对于pH影响酶活性的曲线图有些疑惑，他们已经知道过酸、过碱会使酶变性失活，但还有问题：如果把酶放置在低于(或高于)最适pH的溶液中一段时间以后，再将酶所处溶液的pH调至最适pH时，酶的活性将如何变化？笔者查阅了《中学生物教学》和《生物学通报》等相关资料，发现关于pH对酶活性恢复影响的研究并不是很多，然而此问题一直是一大教学困惑。由于高中学生对于探究实验有很大的热情，也为了解决这一教学问题，所以师生一起设计了“探究pH对过氧化氢酶活性恢复的影响”这一实验。

2.研究意义

通过探究实验一方面解决了教学疑惑，另一方面激发了学生学习生物的热情，培养了学生的动手操作能力、思维能力和解决实际问题的能力。

二、研究过程

本实验是一个创新实验，教材中并没有明确的实验设计等内容，但是探究实验的一般流程学生已经掌握，因此学生可以根据已有的知识经验尝试设计实验的步骤。为了使探究实验能够达到预期效果，教师应该首先分析学生学习情况，然后确定教学目标，最后指导学生实验。

笔者对本校学生进行了学情分析。知识方面：学生已经掌握了酶的作用和本质，以及pH对酶活性的影响规律，同时已经具备相关的化学知识。技能方面：学生对传感器并不陌生，会进行简单操作。基于以上学情，笔者将本实验课的教学目标确立为以下四个方面：1.形成蛋白质结构和功能相适应的生命观念；2.培养生物学、化学和数学相结合的理性思维；3.通过“设计探究实验步骤，改变自变量，对数据进行处理、分析，并得出实验结论”，体会科学探究的过程；4.了解酶制品的贮藏、运输和使用过程；根据食物特质，指导健康饮食。

1.实验装置、仪器、试剂和材料等

本实验装置由学生结合跨学科知识自主设计而成，具有一定的创新性，主要利用氧气传感器、借助于计算机辅助进行实时记录。该装置能够定量测定氧气含量，比教材中提供的实验装置更加直观、精确。

实验仪器：烧杯,量筒,胶头滴管，移液管，锥形瓶，氧气传感器等，电子秤等。

实验试剂：过氧化氢酶，质量分数为30%的过氧化氢溶液，浓盐酸，NaOH固体，新配置的不同pH值溶液。

实验材料：教材中探究酶活性的实验材料选用的是肝脏研磨液，但肝脏研磨液不易存储，学生查阅资料后发现土豆中也含有较多的过氧化氢酶，于是选用土豆进行实验，结果发现用土豆中的过氧化氢酶进行实验时效果并不明显，分析原因可能是酶的浓度不够。于是教师提供纯的过氧化氢酶制剂进行实验。

2.实验分组

在正式进行本实验之前，学生通过查阅资料和兴趣小组的探究实验已经得出结论：室温下，该过氧化氢酶的最适pH为7，围绕最适pH，教师将全班学生分为以下6组(如表1)。

表1

3.实验重、难点突破(以A组为例)

本实验的重点和难点是如何保证在无关变量不变的情况下，将含酶溶液从pH=5调至pH=7，以及因变量(氧气的含量)如何定量测定。关于重、难点的突破，笔者采取的策略是小组合作：先自主讨论，再相互评价，最后师生共同归纳总结。讨论的过程激发学生的积极性，有助于推动学生思维的发展。

难点1：在控制无关变量一致的情况下，如何把酶的pH从5调至7呢？学生经过讨论，结合化学知识，采取策略a：将pH=5的溶液稀释100倍。教师进一步提问：pH从3到7怎么改变呢？学生思考以后发现，如果用稀释的方法，1 mL原液也要稀释到10000 mL,在这样的锥形瓶中暂时无法实现。于是学生发散思维，想到策略b：用pH=11的溶液等体积中和。此时，学生自然想到可以用策略b解决pH从1调至7的问题，这时候教师鼓励学生采取新的方法，经过学生讨论，有了策略c：加入一定量的氢氧化钠固体。

难点2：因变量如何定量测定？学生最先想到的可能是观察气泡多少，或者是用带火星的小木条检测，但这些都无法定量测量，那么怎么解决呢？于是教师拿出氧气传感器来解决这一难题，此时学生能够体会到技术对学习的推动作用。

4.实验步骤(以A1组为例)

(1)取3个洁净的锥形瓶，分别编号为A、B、C,氧气传感器进行校零。

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

(3)向A、B、C瓶分别加入等量的过氧化氢酶1 g,轻晃30 s。

(4)向A瓶中加入pH=5的溶液调至100 mL，向B瓶中加入蒸馏水调至100 mL,向C瓶中加入pH=7的溶液调至100 mL。

(5)向A、B、C瓶分别加入质量分数为30%的过氧化氢溶液2 mL，同时打开传感器进行氧气测定。

(6)统计分析，得出结论。

5.实验结论(如图1、图2)

图2

图1显示的是各组氧气含量变化动态曲线图。如何能更加直观地反映出酶活性的变化规律？学生可以联想到教材，用反应速率来体现酶活性的大小，于是绘制出不同pH条件下每3秒的平均反应速率随时间的变化图(如图2)。学生能够将数字信息转化为图像信息，说明其对数据分析、处理的能力有所提高。至此学生得出结论：室温下，当过氧化氢酶从pH=5调至pH=7时，其活性可以部分恢复， 最大活性仍然低于最适pH时的值。

师生用类似的方法完成了其他组的实验设计。图3和图4是学生绘制的酶促反应速率图。通过观察发现，A1组与B1组结果相似，A2、A3、B2组和B3组结果相似。

图3

图4

学生通过对实验数据的分析，可以得出如下结论：(1)pH≤3或pH≥11时，过氧化氢酶已经失活，恢复最适pH时酶的活性已经不能恢复。同时也证明了确实存在使酶变性的临界pH。(2)在酶失活之前，改变酶的pH至最适pH时，酶的活性确实可以部分恢复。

6.实验结果分析以及继续探究

学生尝试分析上述结论可能的原因：a.酶(蛋白质)的空间结构可能部分被改变，使其活性不能完全恢复；b.酸性环境影响过氧化氢酶中部分氨基酸的解离状态，从而影响了酶的活性……

学生可以继续探究以下问题：如何进一步确定使酶失活的临界pH值呢？pH=5调至pH=7时，酶的活性为什么能够部分恢复呢？在酶失活之前，其活性减弱的程度是否与偏离最适pH差值有关？……

三、实验创新之处以及对高中生物实验教学的启示

1.实验创新之处

本实验是基于教材实验的拓展和延伸，创新之处主要体现在三个方面。首先，实验材料的改进：用纯的过氧化氢酶做材料，便于控制酶的用量，实验数据更加准确。其次，实验方法的改进：通过3种不同的方式改变自变量，发散学生的思维。再次，检测技术的改进：利用氧气传感器结合计算机辅助，使实验结果更加动态、直观；pH测试仪+pH试纸，使数据更加精确。

2.对高中生物实验教学的启示

通过“pH对过氧化氢酶活性恢复的影响”这一探究实验，提高了学生自主思考、合作探究的能力，同时也解决了一线教师教学中的一些困惑。

创新是教育的核心，教育培养的人才不仅要有全面的知识结构，更要有创新的活力，以适应知识经济的发展，承担知识创新的重任。在生物实验教学中，教师也应该鼓励学生提出自己的看法，充分利用各种器材设备和技术手段来大胆地进行实验创新，在探究的过程中充分挖掘自身的创新能力,培养科学严谨的态度,从而全面提升自身的生物科学素养。