“探究pH对酶活性的影响”的教学策划

来源:用户上传      作者: 周志全

　　教材设置了探究实验探索酶的专一性和高效性，但对其需要适宜的条件只进行了简单的讲述。在教学实践中，教师大胆拓展教材内容：在学生完成教材非完全探究实验的基础上，有意识地创设新的探究情境，诱导学生提出探究课题――探究pH对酶活性的影响。将教学活动组织成在教师引导下师生共同参与的探究活动，使学生通过参与高中生物学习中第一次完整的探究性实验，体验科学探究的过程，掌握科学探究的基本方法，培养和发展科学探究的基本能力和获取新知识的能力，最终达到知识、能力、情感态度与价值观等三个方面的教学目标。
　　
　　1　创设探究情境，挖掘探究课题
　　
　　科学探究是从问题开始的，而问题产生于怀疑。这是探究性学习的前提，是产生探究的内驱力。学生探究的问题必须符合自身的知识结构和认知水平，最好是从生活中发现的。
　　因此，在完成酶的概念以及酶具有高效性和专一性的特点的教学后，教师提出问题：
　　①为什么人感冒发烧时，会没有食欲呢?②胃中的胃蛋白酶随着食物进入到小肠能否继续分解蛋白质?为什么?
　　学生围绕这些问题，展开讨论，结合刚学习的酶的有关知识以及化学知识，提出许多假设，通过讨论交流，达成共识：温度、pH是影响酶活性的重要因素。
　　教师接着提出：温度(或pH)对酶活性有什么样的影响?在什么温度(或pH)时，酶活性最高?这时，学生的学习积极性被调动起来，产生了探究的欲望。学生都跃跃欲试，准备马上动手实验。
　　教师因势利导布置探究课题：由于学生是第一次进行探究性实验活动，先统一选取难易适中的课题“探究pH对酶活性的影响”，以后再继续探究“温度或其他因素对酶活性的影响”。
　　然后，教师要求每位学生根据探究课题写出自己的探究方案。学生这才知道，今天的课题与以往不同，不再是依据教材或教师提供的实验方案去做，而是要自己设计方案。学生们面面相觑，露出畏难的表情，刚才的热情一下子冷了下来。
　　此时，教师一方面激励他们，另一方面，对开展探究性实验的一般方法和程序进行讲解，主要是实验原理的确立、实验材料的选取原则等基本知识，为学生设计实验奠定基础，也增强了学生进行探究的信心。
　　
　　2　明确探究要求，自主设计方案
　　
　　鉴于学生初次进行探究实验方案设计，教师对实验方案的基本格式提出明确要求，即包括：
　　①实验原理；
　　②实验仪器、药品；
　　③实验步骤；
　　④实验现象的观察；
　　⑤实验数据的收集。
　　同时教师提示学生，可以借鉴已有知识如“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”的实验设计思想，“生物组织中还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定”中实验现象的观察方法等。
　　明确具体要求后教师提出要求：学生可以个人单独设计，也可以两人一组合作设计；并希望个人或小组提交的探究实验方案与众不同，有创新。
　　学生带着兴奋和冲动，很快就把探究实验方案设计出来了。但大多数学生受以往学习习惯和思维惯性的影响，设计的方案多数是模仿教材实验的方法，最常见的实验方案有如下几种。
　　方案1：以唾液淀粉酶或OL--淀粉酶为实验材料，选择pH为2的5％HCl、pH为7的蒸馏水、pH为14的5％NaOH作为实验的pH研究范围，用碘液检验淀粉是否存在，证明酶的活性。以期望得出唾液淀粉酶(或a－淀粉酶)的“最适pH”和唾液淀粉酶(或a－淀粉酶)的活性随pH的变化而变化的规律。
　　方案2：以a－淀粉酶为实验材料，选择pH为2的5％HCl、pH为7的蒸馏水、pH为14的5％NaOH作为实验的pH研究范围，再用斐林试剂检验是否有还原糖存在，以证明酶的活性，并得出“一淀粉酶的“最适pH”和a－淀粉酶的活性随pH的变化而变化的规律。
　　方案3：以过氧化氢酶为实验对象，选用新鲜肝脏研磨液为材料，选择pH为2的5％HCl、pH为7的蒸馏水、pH为14的5％NaOH作为实验的pH研究范围。再用点燃的卫生香分别放入试管内液面上方，观察卫生香的燃烧情况，以此证明酶的活性，并得出过氧化氢酶的“最适pH”和过氧化氢酶的活性随pH的变化而变化的规律。
　　这些实验方案的不同之处主要是选用的实验材料有差异，或是检验的方法有差异而已，但都存在着许多问题，甚至有很严重的科学性错误。教师此时并没有直接指出这些问题和错误，而是首先指导学生通过实验进行自我验证。
　　
　　3　实施设计方案，自我验证质疑
　　
　　采用“方案2”和“方案3”的学生很快就根据实验结果得出了结论：唾液淀粉酶和过氧化氢酶的“最适pH”为7。当pH<2或pH>14时，唾液淀粉酶和过氧化氢酶将失去活性。但该结论是否准确、严密，学生就没有考虑了。教师就提出问题请学生思考：pH<2或pH>14时，酶失去活性，只有pH为7时，酶有活性，反应能够发生，这如何说明酶的“最适pH”值为7而不是6或者是其他值呢?学生一时回答不出来。教师紧接着引导学生从是“最适pH”的概念出发，思考：应该如何设计实验，才能找到唾液淀粉酶和过氧化氢酶的“最适pH”?
　　而采用“方案1”的学生在完成实验过程中，发现了自己设计的方案中存在的一些问题：用5％NaOH处理淀粉酶溶液后，再用碘液检验不变蓝色，从而无法作出酶的活性随pH的变化而变化的曲线，这与预测不相符。但为什么会出现这种情况?学生无法解释。
　　
　　4　交流完善方案，再次探究验证
　　
　　在学生完成了第一轮实验而产生诸多疑问的基础上，教师组织全班学生进行交流、讨论和评析。围绕交流实验设计的思路、实验操作的方法以及实验中出现的问题等几个方面，教师引导其他学生对这些方案的实验结果和结论进行分析评价。对存在的问题，力图通过师生之间、生生之间的分析评价，形成思维的碰撞，使学生能够产生解决问题的新思路，迸发出创新思维的火花。
　　
　　4.1
　　完善实验设计思路
　　选取pH分别为2、7、14的溶液研究pH对酶活性的影响，能否得出酶的“最适pH”值?能否据此正确作出酶的活性随pH的变化而变化的曲线?
　　这是一个普遍存在而又不被学生认识的问题，它反映出学生在科学方法和科学态度上存在着偏差。针对这种情况，教师首先要求学生根据得到的实验数据绘制坐标曲线图。由于学生只取得了3个实验数据，绘制出的坐标曲线图是2条直线，这时学生对自己原先得出的结论产生了怀疑。学生通过认真分析得出：实验只设计了三个pH值点，其中酶只在一个pH是有活性的，这无法说明该pH是唾液淀粉酶的“最适pH”，更无法作出唾液淀粉酶的活性随pH变化的曲线。教师引导学生进一步去寻找解决问题的思路，通过集体智慧交锋，形成共同认识：应该设计多组不同pH梯度的环境作为相互对照，观察相关酶在上述pH环境中的活性变化；然后在酶活性最强的pH与相邻的pH之间，再设计若干组梯度不同的“pH环境”，观

察酶活性的变化，从而找到酶的“最适pH”，并作出酶的活性随pH变化而变化的坐标曲线图。
　　设计的思路和原理找到了，但新的问题又出现了：pH的梯度如何设计?在讨论中，有的学生认为：当DH在2～14之间，以1为差值设计梯度，可以找出酶的“最适pH”。而有学生则认为这种方法太繁琐，提出在pH2～14之间，以2为差值设计梯度，找到活性最强的、2个或3个pH值，在这两个或三个pH，再以1为差值设计梯度，就可以找到酶的“最适pH”了。教师肯定两种方法都是可行的，相对而言，后一种方法略微简便一些。
　　
　　4.2　控制相关实验变量
　　此实验的关键之一是要设计不同pH梯度的溶液环境，用5％HC1和5％NaOH是很难实现的，如何创设不同的pH环境呢?一位化学知识好的学生马上回答：配制不同酶的“最适pH”的缓冲液进行实验。要求学生应用相关的化学知识，多方面查阅相关资料，并在实验中不断改进。比如，有学生选取了pH为9的NH4―NHsCl缓冲液，用斐林试剂检验是否有还原糖存在，却得不到预期的现象。学生经过分析发现：斐林试剂中的Cu2+首先与“缓冲液”发生了反应导致实验失败。又经过反复试验，将pH为9的缓冲液改为NaHCO―Na2C03，终于取得成功。
　　另外，教师引导学生控制好无关变量，即对照实验中每组实验只有pH值不同，其他条件如温度：酶浓度、底物浓度、反应时间等应相同且适宜。
　　
　　4.3探索结果检测方法
　　(1)以过氧化氢酶为实验材料时，如何测量实验结果?
　　采用“方案3”的在实验中发现：在观察卫生香燃烧情况获取实验结果证明酶的活性时，相邻梯度pH间的现象区别不明显，特别是酶的活性较弱时，效果更差。
　　如何解决这个问题呢?有一组学生经过反复尝试，成功地研究出了有独创性的方法：将过氧化氢、新鲜肝脏研磨液与不同pH的缓冲液等试剂分别装入不同的试管后，迅速在试管口套上一个薄的小气球。然后观察气体进入气球的时间以及单位时间内气球的充盈程度，以此来判断酶的活性。实践证明效果很好。
　　(2)为何用5％NaOH处理淀粉酶溶液后，再用碘液检验溶液不变蓝色?
　　这是采用方案1的学生在实验中遇到的问题。开始，学生在讨论时没有深入地分析，粗浅地认为是操作失误造成的。教师就请学生严格按实验程序再重新做一次，结果依然是“溶液不变蓝色”。学生十分困惑，教师根据学生思维受限、学科间综合知识缺乏的特点，引导学生运用化学知识分析出现问题的原因。经过分析和讨论，发现在NaOH溶液中，碘会立即与NaOH发生反应生成Na1和NaIO。因此，溶液中没有单质的碘存在，淀粉不会变成蓝色。
　　找到失败原因后，教师紧接着提出新的问题：在不改变实验材料的前提下，如何改进实验方法，解决上述问题?
　　学生认真思考后，有人提出：改用斐林试剂，可以检验淀粉水解后是否有还原的葡萄糖存在，即将原方案中检验反应物是否存在的方法改变为检验是否有特定生成物出现。受此思路启发，又有学生提出更新颖而简单的方法：可采用糖尿病试纸检查溶液中是否有葡萄糖存在。但由于实验室没有糖尿病试纸，因此，教师请学生利用课余时间完成该方法的实验。经过尝试，学生发现，可以通过糖尿病试纸颜色深浅的变化，测定溶液中含糖量的多少，从而证明酶活性的强弱。因此，该方法在定性实验中是可行的。
　　接着，教师请学生修改和补充完善自己或小组的探究方案，并再次实验。在验证探究方案正确性的同时，收集实验数据。
　　完成探究实验后，教师要求学生思考并总结：
　　①生物探究性实验设计的一般方法和程序；
　　②对照实验设计的原理以及注意事项；
　　③实验数据和实验结果的收集与处理方法。
　　通过总结，教师引导学生反思整个探索过程，将具体探究实验过程和方法归纳升华为探究实验设计的一般规律。

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