“酶的特性”综合实验的改进与创新.pdf

第33卷实验改进中小学实验与装备2 0 2 3年第4期27“酶的特性”综合实验的改进与创新广东省中山市桂山中学（5 2 8 46 3）摘要：将“酶的特性”实验置于具体情境中开展一一探究“过氧化氢酶的特性”，通过改进教学方法、优化材料试剂、制作定量实验装置等对教材中的实验内容进行了改进与创新，使学生对酶的高效性、专一性和作用条件较温和这一“酶的特性”概念形成了整体的认识，达到对知识内容的深度学习，提升了学生生物学学科核心素养。关键词：酶的特性;H,0,酶；定量测定）蒋素梅“酶的特性”是2 0 19 年人教版高中生物学必修1第5 章第1节的内容,包括了酶的高效性、专一性和作用条件温和三方面内容。普通高中生物学课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）指出：为帮助学生达成对“酶的特性”概念的理解，促进学生生物学学科核心素养的提升，应开展“探究酶催化的专一性、高效性及影响酶活性的条件”等实验教学活动 。新课标新高考背景下,如何有效实施新教材中实验是每一个一线教师应去思考和探索的问题。本文尝试从实验教学方法、优化材料试剂、自制定量实验装置等方面对“酶的特性”综合实验进行改进与创新,以期达到提升学生学科核心素养的目的。1教学方法的创新1.1传统教学方法存在的不足“酶的特性”教材安排了3个“探究实践”，内容包括酶的高效性、专一性和作用条件温和三方面内容,按照传统的实验教学方法，存在着以下不足之处：3个“探究实践”实验内容较多，课时安排不足；“酶的特性”用孤立的3个实验分别探究,关联性不强，不利于对“酶的特性”这一概念的整体建构；3个孤立实验准备工作繁琐。以上因素导致教师在教学过程中难以完成本节的3个实验内容，常常将“做”实验变成了“讲”实验。1.2改进实验教学方法我们尝试改进传统教学方法，采用项目式教学法完成对“酶的特性”这一内容的实验教学,教学基金项目：本文为“广东省教育科学规划2 0 2 1年度中小学教师教育科研能力提升计划项目“中学生物学数字模拟实践创新实验教学模式的构建与应用（课题号：2 0 2 1YQJK140）项目研究成果。流程如下(如图1)：总项目；探情块究过氧化氢问题导向究过氧化氢酶创设酶的特性图1项目式教学法的教学流程1.2.1创设实验探究情境，导入探究总项目情境1：介绍细胞代谢过程中会产生对细胞有害的代谢废物H,O2,以及细胞中会存在H,O,酶等相关背景知识。情境2:日常医用消毒液常使用3%H,02用于伤口消毒，接触伤口表面时会产生白色物质并冒气泡（配图片、视频或者是有伤口的学生亲自体验）。通过情境激发学生对H,O，酶探究的兴趣，引人探究总项目一一探究H,O,酶的作用和特性。1.2.2通过问题导向，生成探究子项目针对上述两则情境，教师抛出以下几个问题：问题1：为什么用H,0消毒伤口时，伤口会冒气泡？伤口处H,0,酶催化H,0,分解产生0 2。问题2:假如细胞中H,02酶的催化效率很低会怎样？一子项目1:探究H,0，酶的高效性。问题3:细胞中H,0,酶能像无机催化剂一样，催化多种化学反应吗？子项目2:探究H,02酶的专一性。问题4:细胞中H02酶起催化作用需要什么样的条件呢？子项目3:探究pH对H,O,酶活子项目1：探究过银化氢酵的高效性交流实藤的专一的专一佳验方案子项目3：探究H对过氧化氧藤活性的影响设计实验方案雕的高效聘的专一进行实验汇报交流实验成果28性的影响。（进一步思考：是否可以探究温度对H,O,酶活性的影响?)1.2.3小组合作学习完成探究任务通过小组合作探究，先分组设计实验方案，然后汇报各组实验方案，接下来按实验方案分组实施实验，再通过汇报交流分享实验成果。2优化实验材料试剂教材中选用动物肝脏研磨液作为H,0,酶实验材料,虽然实验现象明显，但存在难研磨、腥味大、易变质、难清洗等缺点。学生通过查阅资料和亲自实践，发现采用香菇研磨液为实验材料具有以下优点 2 :香菇研磨液中H,0,酶含量高,所以实验现象明显，且材料易获取、易操作、易保存、无异味。在试剂方面，教材中采用高浓度H,02配置3%H,0,溶液,高浓度H,02氧化性强,对皮肤有较强的腐蚀性,存在着安全问题,而且常温下H,02易分解，易导致H,O,溶液浓度不准确而影响实验结果。我们从药店直接购买3%H,0，消毒液，具有安全、浓度准确、方便快捷等优点，同时，与学生生活联系紧密,能提高学生的参与度和主动性。3改进与创新实验装置3.1传统实验装置存在的不足教材中的3个“探究实践”均为定性实验，关于“酶的高效性实验”，教材中是将过氧化氢加人到口的试管中，通过观察气泡的产生情况和利用带火星的木条的复燃情况来判断0 2 产生的速率,从而对催化剂催化效率的高低进行定性判断；探究“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”是2 0 19年人教版教材新增的一则“探究淀粉酶专一性”的定性实验;探究pH对H,O,酶活性的影响实验,教材中虽未给出实验装置及完整的实验流程，但是从给出的问题设置和试剂器具来判断,是要求学生设计一个定性分析实验。定性实验存在着以下的不足：对结果判定存在着较强的主观性，不利于学生的科学探究和科学性思维能力的养成；实验过程中变量难以控制：反应进程快、时间短、需要点燃卫生香等繁琐操作，实验操作难把控，样品间无法形成对照；实验现象不稳定：产生的大量气泡带着水蒸气导致卫生香易熄灭，敞开的试管容易使气体逃逸导致助燃失败等。3.2制作定量实验装置若想呈现酶的特性,需做定量分析实验。目前中小学实验与装备2 0 2 3年第4期已经有不少一线教师对通过定量检测过氧化氢产生的氧气量的实验装置进行了改进 3-5 ,但是在实践中发现，总是会在装置制作、操作、推广应用等方面存在问题,因此,在前人研究的基础上,笔者带领学生自制了一种简易便捷的定量实验装置（如图2、图3)。定量实验装置的原理：用具支试管、刻度滴管、橡胶塞、一次性注射器、一次性输液软管等组装成1个简易密闭的装置，可直接检测密闭装置中0 2的生成量,通过测量H,02分解产物0，的产生速率来反映H,0,酶活性大小。装置的制作方法：将刻度滴管插入胶塞，然后塞人具支试管管口密封；注射器针口处套上长约3cm输液软管（有利于导气以及与具支试管支口处更好密封），将注射器连接在具支试管的支口处密封,形成1个密闭装置。其中具支试管作为反应容器,刻度滴管作为H,02进样器,注射器作为0,收集器。装置的使用方法：检查装置中注射器与具支试管支口处的密封情况，检查注射器是否保持水平,将注射器活塞调至零刻度；分别向5 支具支试管中加人待测液（H,O，酶、FeCl，等），然后用5支（带橡胶塞）刻度滴管分别吸取相同体积的H,02,插人具支试管并密封管口；同时挤压5 支刻度滴管橡皮塞，向具支试管中同时加人H,02。观察具支试管中气泡的产生情况，记录注射器刻度随时间的移动情况。重复实验3次。橡胶塞进样器反应器图2 定量实验装置示意图图3定量实验装置实物图3.3定量实验装置的应用利用定量实验装置完成探究酶的高效性、酶的专一性、pH对酶活性的影响实验,实验设计方案分别见表1、表2 和表3。第33卷输液软管一集气器第33卷表1探究H,0,酶的高效性实验设计方案步骤溶液1注人H,02注人3.5%FeCl,溶液3注入香菇研磨液4注人H,02溶液表2 探究H,0，酶的专一性实验设计方案步骤溶液1注人H,0,酶溶液2注人淀粉酶溶液3注H,02溶液4注人淀粉溶液5注入I2液表 3探究pH对 H,0,酶活性的影响实验设计方案步骤溶液1pH=3 H,0,酶溶液2pH=5 H,02 酶溶液3pH=7 H,02 酶溶液4pH=9 H,0,酶溶液5pH=11 H,02 酶溶液6注入H,02溶液按照实验设计方案完成实验，记录实验结果（可进行录像记录注射器活塞随时间的移动情况，实时采集并保留实验数据，利用视频剪辑软件进行精准分析）。根据所得结果，教师指导学生应用Excel进行数据处理与分析,并构建出数学模型（如图4 6），得出如下结论：由图4可知，酶具有催化作用,与无机催化剂相比,酶催化具有高效性，同时还能得出酶只改变化学反应速率而不改变化学反应平衡点的特性。由图5 可知,在适宜的pH条件下酶的活性高,pH 偏高或偏低酶活性会降低或者酶完全失活。由1、2 试管以及3、4试管实验数据及现象(如图6 和图7)可知，一种底物只能由一种（或一类)酶来催化,通过1、3试管和2、4试管实验数据及现象(如图6 和图7)可知，一种酶只能催化一种(或一类)底物,两组实验共同说明酶具有专一性。3.4定量实验装置创新要点改开放试管为密闭装置，有利于气体的收集与测定，改定性实验为定量实验；通过刻度滴管同时添加反应液，多个反应装置同时在密闭条件下进行，同时观察记录实验数据，能够更好地控制无关变量。多样品同步实验可节约预处理时间、反应时间,提高了实验效率；此装置一置多用,可用于中小学实验与装备2 0 2 3年第4期试管1试管2试管35滴一5滴1 mL1 mL试管1试管2 试管3试管43滴一3滴3滴一3滴1mL1 mL1 mL1 mL一3滴3滴一试管1试管2 试管3试管4试管53滴一3滴一3滴3滴3滴1 mL1 mL1 mL1 mL1 mL2912一香菇研磨液一氯化铁一一清水8一25滴001 mL一50（a）加碘液前图7 试管3、4实验现象无需加热生成气体的化学反应的检测，除了可以用来探究酶的特性实验以外,还可以拓展应用到细胞呼吸探究实验、光合作用的探究实验；此装置是利用中学实验室常用的器具组装而成，易组装可重复，操作简单，适合任何条件的学校开展分组实验与演示实验，推广性强；灵敏准确、环保安全，只需要用0.5 1mL的H,0,溶液参与反应即可观察到明显实验现象。（注意：防止加人过多的H,02溶液产生太多气体而冲开注射器活塞。）4实验教学效果评价本实验通过优化材料试剂后，具有取材便捷、现象明显、安全环保的特点。通过制作简易的定量实验装置，实现了从定性实验到定量实验的转变，通过注射器读数实时产生数据，达到结果可视化、直观化，并在实验完成后进行数据处理、模型构建100图4酶的高效性1.21.0810.80.60.40.20073图5pH对酶活性的影响12+试管1-试管2M0图6 试管1、2 实验结果4号3号(b）加碘液后1500.11857510200152500.470.18911PH2025时间s300350400时间/s4号45030实验改进中小学实验与装备2 0 2 3年第4期第33卷测定菠菜中铁元素的含量吉林师范大学化学学院（136 0 0 0）摘要：利用手持技术测定菠菜中铁元素的含量，当灼烧时间为2 0 min、H,S O 4浓度为3mol/L、H,0，浓度为1%时所测得的15 g菠菜中铁元素含量最多。通过设计测定流程、探索最佳实验条件和样品含量计算等环节，融合多学科知识，促进学生工程思维和创新能力的发展。关键词：STEM理念；手持技术；含量测定；铁元素）杨倩高一雯孙莹孙艳涛普通高中化学课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）指出教学中应重视跨学科内容主题的选择和组织,加强学科间联系，综合运用化学和其他学科的知识分析解决有关问题、发展学生的科学素养 。STEM教育的特点是帮助学生整合不同学科的知识和技能,强调综合及应用多学科以解决现实生活问题。当前高中化学课堂受限于教学时间和教学条件，学生亲自动手实验的机会少之又少，这使得高中学生对于实验的理解和感受更多来源于文字,在反复的识记和背诵过程中“观察”实验现象，严重阻碍学生实验操作能力和科学创新能力的发展。数字化手持技术作为一种现代化教育手段,具有便携性、直观性、实时性、准确性和综合性等特点 2 。基金项目：吉林师范大学基础教育教学研究重点课题“信息化学习场域下中学化学深度学习的教学设计与实践研究”（编号：JLSDJC2021Z01)+及结果分析，能更好地培养学生观察现象、定量测定、处理和解释数据及建立数学模型等科学探究技能。并将定量实验装置应用于项目式教学课堂中,通过小组合作探究，在1节课内完成3个“探究实践”，提高了课堂的学习效率。学生对酶的高效性、专一性和作用条件较温和形成了整体的认识,从而进一步建构“酶的特性”这一生物学概念,达到对知识内容的深度学习，提升学生生物学学科核心素养的教学目标。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在教学中将STEM理念和手持技术相结合，不仅可以辅助教师进行化学教学，弥补传统实验的不足，而且在跨学科整合知识的同时,培养了学生分析和解决实际问题的能力。1问题的提出“铁及其化合物”在高中化学教学中非常重要，2 0 19 年人教版普通高中化学必修1教材第7 1页新增了“检验食品中的铁元素”的研究与实践 3,并给出了检验菠菜中铁元素的实验方案。该方案采用传统检测铁元素的实验方法，属于“定性实验”,受菠菜自身色素的影响，实验现象不明显。鉴于此，本研究改进实验方案，进行“定量实验”，结合STEM理念，测定菠菜中铁元素的含量，有利+（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）M.北京：人民教育出版社，2020:14.2耿旭珂，岳建明.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验改进 J.生物学通报,2 0 19(3)：42-43.3李丽卡“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验装置改进 J.生物学教学,2 0 17(7)：47.4唐小敏.比较过氧化氢在不同条件下的分解实验改进J.中学生物教学,2 0 2 2(3)：5 5-5 6.5马建才，马小明.比较过氧化氢在不同条件下分解速率的装置制作 J.中国现代教育装备2 0 2 2（2)：2 5-2 6.收稿日期:2 0 2 3-0 4-19