亲密接触酶活性——高中生物必修课《探究pH对酶活性的影响》教学实录与反思，本文主要内容关键词为：活性论文,必修课论文,亲密论文,教学实录论文,高中生物论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
生物新课程改革的突破口就是改变学生的学习方法，倡导探究性学习，注重培养学生的创新精神和实践能力。在向探究性学习转变的过程中，最难的是学生不能发现问题，意识不到问题的存在，当然也就不可能寻找到创造性解决问题的方法了。而开展探究性实验可以有效地解决这个问题。英国科学家阿姆特朗说：“实验总是以发现、以探究为追求目标的。实验在学校里是教授学生去发现的方法。”
“新陈代谢与酶”安排在人教版高中《生物》第一册第三章第一节，其中酶的专一性、高效性和条件适宜性这三大特性是其主要内容。
我们的探究任务
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，我们大胆地拓展教材内容：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课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。最终达成知识性、技能性、情感性等三个方面的教学目标。
1.阐明pH值对酶活性影响的规律。
2.运用生物学实验设计的一般方法，设计“探究pH对酶活性的影响”实验的方案。
3.领悟实验、比较、分析和综合等科学方法及其在科学研究中的应用。
4.在活动过程中体验科学探究的艰辛，培养科学探究的能力，形成勇于探索、敢于质疑的科学精神。
我们的探究历程
一、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后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值是影响酶活性的重要因素。
教师接着提出：温度（或pH值）对酶活性有什么影响？在什么温度（或pH值）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。大家都跃跃欲试，准备马上动手实验。
教师因势利导布置探究课题：由于是同学们第一次进行探究性实验活动，大家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，要求每位学生根据探究课题写出自己的探究方案。同学们这才知道，今天的课题与以往不同，不再是依据教材或老师提供的实验方案去做，而是要自己设计方案。大家面面相觑，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：这可能是同学们人生中第一次进行科学研究，难道大家没有信心完成吗？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。
二、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希望，大家可以个人单独设计，也可以两人一组合作设计。但希望个人或小组提交的探究实验方案与众不同，有创新。
同学们带着兴奋和冲动，很快就把探究实验方案设计出来了。但大多数同学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α－淀粉酶为实验材料，选择pH值为2的5%HCl、pH值为7的蒸馏水、pH值为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α－淀粉酶）的“最适pH”和唾液淀粉酶（或α－淀粉酶）的活性随pH的变化而变化的规律。
［方案2］以α－淀粉酶为实验材料，选择pH值为2的5%HCl、pH值为7的蒸馏水、pH值为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α－淀粉酶的“最适pH”和α－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值为2的5%HCl、pH值为7的蒸馏水、pH值为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。
三、实施设计方案，自我验证质疑
采用方案2和方案3的同学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，学生就没有考虑到了。教师就提出问题请他们思考：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？同学们一时回答不出来。教师紧接着引导学生从什么是“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的同学们在完成实验过程中，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？同学们无法解释。
四、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进行交流，教师引导其他同学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。
1.完善实验设计思路
选取选择pH2、pH7、pH14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同学们认识的问题，它反映出同学们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。由于同学们只取得了三个实验数据，绘制出的坐标曲线图是两条直线，这时同学们对自己原先得出的结论产生了怀疑。同学们通过认真分析得出：实验只设计了三个pH值点，其中酶只在一个pH值是有活性的，这无法说明该pH值是唾液淀粉酶“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，大家认为：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，有的同学认为：在pH2～14之间，以1为差值设计梯度，可以找出酶的“最适pH”。而有同学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，找到活性最强的两个或三个pH值，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。
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%HCl和5%NaOH是很难实现的，如何创设不同的pH环境呢？一位化学知识好的同学马上回答：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NH[,4]-NH[,3]Cl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。大家经过分析发现：斐林试剂中的Gu[2+]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[,3]-NaCO[,3]，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。
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的同学在实验中发现：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？有一组同学经过反复尝试，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的同学在实验中遇到的问题。开始，大家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”。大家十分困惑，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NaI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？
同学们动脑筋、想办法，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，又有同学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。这让大家眼前一亮，但由于实验室没有糖尿病试纸，因此，教师请同学们利用课余时间完成该方法的实验。经过尝试，同学们发现，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。
五、分析实验数据，得出科学结论
教师组织全班对各小组的实验数据进行分析，大家一致的结论是：在“最适pH”时，酶的活性最高；当pH低于或高于“最适pH”时，酶的活性降低；当pH过低或过高时，酶将失去活性。
在此基础上，教师进一步引导学生分析选用不同的酶进行实验得到数据，同学们经过比较发现：不同酶的“最适pH”可能不同，其pH的适应范围有差异。这是教材中没有的结论，学生们为此感到十分兴奋。
六、反思探究过程，总结科学方法
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，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。
我们的探究反思
一、教师要努力发掘教材中的探究性课题
生物学是一门实验科学，许多结论、原理源于实验。但现行高中教材的实验大多为验证性实验，加上学生在做实验时几乎都是照搬课本没法作深层次的思考，而且教材中的结论和原理也不是每个都以实验为佐证进行讲解的。因此在培养学生的科学探究能力方面就明显欠缺，这给我们设计探究性教学提供了广阔的空间。
教师充分挖掘课程资源中的探究因素，营造出探究的问题情境，引导学生去关注教材中那些貌似平淡无奇的内容，鼓励和引导学生提出探究性课题，寻求这些知识的发生和发展过程，以激发他们对问题的敏感性。引导学生充分发挥自己的想象力和创造力，自行设计实验方案，包括材料用具的选取、仪器的组装、现象和结论的相互印证等等，找到解决问题的思路和方法，对自己提出的“是什么”和“为什么”做出解释。
二、组织好教师指导下的学生自主探究过程
1.激发探究欲望，实现自主学习
生物课中的探究性实验活动是学生积极主动地获取知识、领悟方法而进行的实验设计与操作，其最主要的特征就是自主性。
教师要创设学生发现问题的情境，引导学生从中提出探究课题。探究性学习的核心在于对“问题”的不断追求，所探究的问题要具有一定的挑战性，是学生愿意花时间去探究的“真问题”。要指导学生根据生物学及其他学科的有关知识选择材料用具、设计探究方案；每一步骤都要精心设计，明确分工，有一个科学的活动程序。同时组织设计方案的交流与评价，总结出设计原理和原则，得出相关结论，解决学生在实验过程中遇到的新问题。并在活动中培养学生实事求是的科学精神和虚心听取他人意见的科学态度。
2.教师组织指导，学生自主探究
尽管探究性学习和实验活动强调学生主动参与、自主实践，但它不能成为学生自发的、完全独立的学习过程。因为，学生年龄较小，受到已有经验和知识的限制，缺乏必备的科学探究方法和技能；而且探究性实验活动具有生成性的特点，在活动过程中会不断产生新的问题。因此，教师的指导成为保证学习活动成功的关键之一。
探究性实验活动重视的是探究过程，而不是结果。因为探究结论在科学上已有定论，之所以还要学生去探究、去发现，是想让学生借助探究实验活动这一载体，去体验和领悟科学家探究问题的思想观念、科学方法、科学精神，去尝试科学家在科学研究中克服可能遇到的各种困难和问题时，学会科学地思维、理性地思考、主动地获取知识。因此，当学生面临各种让他们困惑的问题时，教师不能急于给予解答和告知结论，而是组织学生进行深入的探究，鼓励和引导学生自己想办法寻找问题的答案。这样有利于培养学生的实践能力、创新能力，也有利于学生掌握科学探究的方法，也能真正改变学生的学习方式，实现主动学习。
3.教师巧妙引导，学生勇于创新
教师在指导学生进行探究活动时，要把握好引导的“度”。
在学习中，教师要引导学生从不同的角度理解问题，自主制定设计实验方案，探索实验途径和方法，使学生的个性得到发挥。比如，在“探究pH对酶活性的影响”活动中，有的同学选择淀粉酶作为材料，以糖尿病试纸作为检验手段；而有的同学则选用过氧化氢酶，然后用气球的充盈时间和程度来判断气体产生量等等。这样的学习方式强调多方位、多角度的发散思维模式，拓展了学生思维的自由度，让他们的奇思妙想得以实现，可以改变学生单一的思维模式，实现自我发展，最终达到培养和提高每个学生生物科学素养的目的，
当然，在生物课中开展探究性学习和实验活动，还有许多问题值得我们在教学实践中去探究，比如探究课题目标的确立、探究性活动开展的原则、科学探究能力培养的层次性和序列化等等。只要我们坚持不懈地努力，定能使探究性学习成为教学中的亮点。