核心素养下“影响酶活性的条件”实验的改进.pdf

2023 年第 10 期教育与装备研究实验教学核心素养下“影响酶活性的条件”实验的改进孙 涛摘要:针对“影响酶活性的条件”这一实验在教学中发现的问题,基于核心素养培养要求,在创设情境、作出假设、自制实验教具、探究优化选材、实验评价和创新作业共六个方面对比实验教学进行了创新和改进。关键词:酶活性;自制教具;实验改进中图分类号:G434文献标识码:A孙涛,河北省邯郸市第一中学,高级教师。本文为河北省教育科学研究“十三五”规划一般课题“高中生物学新教材必修实验的创新设计与开发研究”(课题批准号:2004108)、邯郸市教育科学研究“十三五”规划重点课题“新课标下高中生物核心素养培育对策和路径研究”(课题批准号:20ZD025)研究成果。“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1。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:实验情境缺乏学科思政要素且吸引力不强;作出假设难度较大,学生无从下手;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;实验材料单一不能满足不同学生的探究需求;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;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。笔者针对以上六个问题,通过文献研究,梳理主流期刊文献资料中对本实验的创新设计与改进,并进行了实际验证与检验,又发现了实验装置灵敏性低23,实验装置组装繁琐、误差较大4;定量实验不够严谨5等新的问题。在此基础上,根据新课标的要求对本实验进行了全新设计,提出以下六个方面的创新性改进,并经过教学实践检验,效果较好。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58实验教学教育与装备研究2023 年第 10 期亲身体验,很难引起共鸣,不够接地气。为此,关于温度,笔者增 设了“发热”和“失温”两个情境。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。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。图 1利用思维导图作出影响酶活性条件的假设三、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2、刘高云3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。泮琦斌4设计的实验装置682023 年第 10 期教育与装备研究实验教学图 2过氧化氢分解速率测定仪实物图包括反应室、集气瓶、储水瓶,并用导管将三者密封连接。该装置具有很好的创新性,但刻度尺需要自行制作,误差较大,不同小组获得的数据可比性较差,且部件较多,操作繁琐,实现密封组装难度较大。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5。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。图 3不同植物材料的催化效率和出汁率(室温 15)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、78实验教学教育与装备研究2023 年第 10 期认真参与。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6。表 1“影响酶活性的条件”实验评价量规项目分值5 分3 分1 分自评得分互评得分师评得分实验态度态度 认 真,情 绪 高 涨,积 极思考态度较认真,情绪一般,较积极思考态度不够认真,情绪低落,思考不积极变量控制自变量因变量pH 范围、梯度科学合理pH 范围梯度 1 个合理pH 范围、梯度均不合理控制与检测方法科学合理仅一个科学合理均不合理可定性、定量观测可定性不可定量观测设定和观测不合理实验原则对照原则对照设计组数合理对照设计 3-5 组对照设计少于 3 组等量原则各无关变量相同且适宜部分无关变量相同无对无关变量的控制单一变量自变量明确且只有一个自变量只有一个自变量多于 1 个平行重复每组至少有三个重复每组有 2 个每组只有 1 个实验选材方便、经济、科学、巧妙有缺陷仍能完成实验选材无法完成实验实验装置装置设计使用效果设计图科学、美观设计图有科学错误设计图错误较严重设计巧妙、安全,有创意设计安全,缺少创意设计缺陷多不安全组装方便、气密性好、灵敏度高,实验效果好存在缺陷,但仍能进行实验缺陷 严 重,无 法 观 测 到 实 验结果步骤与操作科学合理、可行、安全较科学、可行、安全存在明显错误小组合作学习与展示汇报分工明确、主动合作交流,汇报声音洪亮、亮点突出有分工、合作和交流,展示汇报表现一般分工不明、很少合作交流,展示汇报思路混乱实验报告项目完整度数据记录实验结果实验结论项目完整、书写工整全面、科学、真实、美观呈现方式直观、科学、美观 科学、严谨、精炼项目较完整,书写尚可数据记录真实呈现方式有一定缺陷基本科学缺少项目,书写潦草数据记录缺乏有呈现,但错误较多缺陷明显实验安全与环保危险物品使用、废物处理科学规范,践行环保和节约仅做到其中 1 点安全和环保意识淡薄,无实际行动实验台整理整齐、干净、物归原处做到 3 点中的 2 点做到 3 点中的 1 点自我评语总分同伴评语平均分教师评语六、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7,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。参考文献:1 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准:2017 年版 2020 年修订M.北京:人民教育出版社,2020:57-61.2 祝燕飞.“探究 pH 对过氧化氢酶活性的影响”定量实验装置创新与应用J.中学生物教学,2021(31):54-57.3 刘高云.“探究不同 pH 对 H2O2酶活性的影响”定量实验研究J.生物学通报,2021,56(12):40-42.4 泮琦斌.“探究 pH 对过氧化氢酶的影响”实验创新J.中学生物教学,2021(16):49-51.5 刘苏敏.“影响酶活性的条件”实验的改进与拓展J.中学生物教学,2023(5):62-64.6 孙涛.利用自制教具定量探究酒精对过氧化氢酶活性的影响J.教育与装备研究,2023,39(2):54-57.7 李万瑞,陈加敏.浅议在“过氧化氢酶活性实验”中培养学生的创新探究能力 J.中学 生 物学,2022,38(5):64-66.(责任编辑:加顺花)88