核心素养下“影响酶活性的条件”实验的改进

“影响酶活性的条件”是人教版高中生物学必修 1《分子与细胞》 第五章第1节“ 降低化学反应活化能的酶”中的第三个实验。 此实验开放性大,探究性强,难度高,是培养学生科学思维和科学探究核心素养的重要载体。《普通 高 中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》提出“需要为探究性实验创设情境,应该鼓励学生自己观察、思考、提问,并在提出假设的基础上进行探究活动方案的设计和实施”、“在重视定性实验的同时,也应重视定量实验,让学生在量的变化中了解事物的本质”、“评价应遵循立德树人的指导思想,重视爱国主义情操和社会责任感的形成;评价方式应具有多样性”等具体要求。对标新课标的要求,笔者在本实验的教学实践中发现了以下问题:①实验情境缺乏学科 思政要素且吸引力不强；②作出假设难度较大, 学生无从下手；③缺乏定量实验,不能很好地落 实新课标关于定量实验的要求；④实验材料单一不能满足不同学生的探究需求；⑤实验评价方式单一, 仅限于是否得出“标准的实验结果”,不能很好的落实生物学新课标“学业评价促发展”的基本理念；⑥实验作业形式过于传统,仅限于 试题类作业,缺乏社会责任感的熏陶。基于此，对实验进行改进。

一、基于学科思政创设接地气的情境，落实关爱生命的观念

教材中给出的情境一是“在初中做消化酶实验时,需要控制温度等实验条件”。有些学生在初中时就没有做过本实验,还有很多学生已经忘记了初中做过该实验。 该情境学生缺乏亲身体验,很难引起共鸣,不够接地气。 为此,关于温度, 增设了“ 发热”和“失温”两个情境。 ①发热:人体正常体温平均在36℃ ~ 37℃ ( 腋 窝) , 体温 ≥ 37. 3℃称为发热。 关于发热,多数学生都有切身体会,学生能说出发热时的感受,浑身无力,不想吃饭等。 该情境贴近学生生活,易于引起共鸣。② 失温: 2021年5月22日,甘肃白银山地马拉松比赛途中,突遇极端天气,局地出现冰雹、冻雨、大风,气温骤降,参赛人员出现身体不适、失温等情况,导致21人遇难。 失温是低温综合征的一种,是指寒冷环境引起的体温下降至35℃以下的一种异常状况。该情境蕴含着血的教训,能激发学生学习的责任感和使命感。关于pH 值,教材中给出的情境是不同消化液的pH不一样。 该情境不能很好地吸引学生。笔者增设的情境是“酸中毒和碱中毒”:正常人体内环境的pH 值为7. 35 ~ 7. 45。酸中毒是由体内酸性物质堆积引起,主要特征为血液pH低于 7. 35,有呼吸困难,心率加快,嗜睡、昏迷甚至休克等症状。 碱中毒是指体内酸丢失过 多或者从体外摄入碱过多的临床情况,血液 pH 高于7. 45,可导致躁动、兴奋、谵语、嗜睡、严重时昏迷甚至危及生命( 摘编自百度百科) 。这些与生命健康息息相关的情境更能深深地吸引学生,提升学生的专注度,同时为后面稳态的学习做好铺垫,也有利于引导学生关注生命健康。

二、利用思维导图辅助学生作出假设,落实科学思维核心素养

对于比较简单的问题情景,学生可以作出假设,但是很难准确阐述作出假设的依据；对于比较复杂的问题情景,学生缺乏作出假设的思路,感到无从下手。 笔者引入了思维导图这一工具,将学生未知的影响酶活性的条件转化为学生已知的影响蛋白质活性的条件。教师可以根据学情适当给出必要的提示,辅助学生作出假设,效果良好。 图1是本实验作出假设时教师引导学生共同参与制作的思维导图。

三、创新实验装置,将实验由定性升华为定量,落实科学探究核心素养  

由于实验室没有装备传感器设备,多年来 只能开设定性实验。 对此笔者感到非常可惜。 新课标也提出了应重视定量实验,让学生在量 的变化中了解事物的本质。 笔者结合我校校情,通过不断思考和试验,设计制作了过氧化氢分解速率测定仪。

（一）实验装置 过氧化氢分解速率测定仪主要由水槽1、 细输液软管 2、静脉输液针 3、100mL 大注射器 4、支架开口 5、粗输液软管 6、 流速调节器 7、药 液过滤器 8、5mL 小注射器 9、瓶塞 10、注射器 针头 11、瓶塞穿刺器 12、输液瓶 13、底座与支 架 14 等按图2所示密封连接组装而成。

（二）实验装置的优点 关于本实验的装置,祝燕飞、刘高云等直接使用注射器收集气体,由于注射器的活塞阻力较大,导致其装置灵敏性较低,即当氧气产生量较少时,无法推动活塞,当氧气产生较多时会推动活塞突然移动又停止,活塞很难依据产氧量匀速移动。本文设计制作的实验装置使用材料廉价易得,易于组装、省时省力,气密性好。笔者将大注射器吸满红墨水,使用排水集气法,排水阻力极小,灵敏性高,安全可靠,性能稳定。本实验装置既可定性观察反应瓶中氧气气泡产生的速率,又可以定量测定一定时间内产生氧气的体积,测定过氧化氢分解的速率,将教材中的定性实验升华为定量实验, 落实了新课标提出的“应重视定量实验,让学生在量的变化中了解事物的本质”这一重要要求。 该教具还可用于探究不同pH对过氧化氢酶活性的影响、不同植物材料匀浆催化过氧化氢分解效率的比较等实验。

四、探究优化选材,拓展酶的来源,提升学生的科学探究能力  

教材中使用的过氧化氢酶来源于新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液。 其缺点是不易保鲜,腥味较大,颗粒性物质明显,不利于在定量实验中控制无关变量,没有很好地尊重一些少数民族学生的宗教信仰。刘苏敏提出用土豆片为实验材料,以上浮所需时间为观测指标,开展定量实验,经实际操作发现各对照组土豆片很难切得厚度一致,引入了新的无关变量,降低了定量实验的严谨性和科学性。实验时还有学生提出了植物细胞中是否含有过氧化氢酶的疑问。笔者结合学情和校情,指导生物兴趣小组开展了探究不同植物材料中过氧化氢酶的催化效率和出汁率。先将等质量的植物材料与蒸馏水混合,用匀浆机处理,再用单层尼龙布过滤, 获得相应的植物汁。然后利用自制教具定量测定5mL不同植物材料匀浆催化5mL过氧化氢分解产生氧气的速率。实验结果如图3所示。据此我们得出开展实验时,可以选用过氧化氢 酶的催化效率及出汁率均较高的植物材料,如土豆、花生(浸泡12h) 、菠菜等,这些植物材料价格便宜且易于保存,实验前再进行匀浆处理, 过滤后可得到新鲜的植物汁。

五、开发实验评价量规,量化落实学科核心素养  

常规实验教学容易忽略针对实验的学业评价。 实验教学随着实验课的下课铃声而结束, 学生不清楚自己应该到达的水平以及哪些方面欠缺,导致实验课程效果不佳。依据“学业评价促发展” 的课程基本理念,笔者开发设计了本实验的评价量规,如表1所示,共设计10个大类的评价项目。 实验前将评价量规发到每个学生手中,让学生清楚评价标准,发挥评价的指导和激励作用,促进学生规范操作、积极思考、认真参与。 实验后实施评价,再将此量规返还给学生,学生可以依据每个项目得分及评语反思改进,巩固落实学科核心素养和学科思政要求。

六、创新实验作业,提升学生的社会责任感

学生在实验过程中可能会发现新的问题, 会出现预想不到的意外结果,这都是培养学生核心素养的良好时机。 教师可以让学生书写实验总结,提出自己发现的问题、对意外结果的分析、对实验进行创新和改进的设想,提出用影响酶活性的条件解决生产生活中疑难问题的新设 想等。可以提升学生的科学探究能力,激发学生的批判性思维和创造性思维,学以致用,以实际行动肩负起社会责任,树立为人民服务的意识,落实学科思政和立德树人的根本任务。