利用實驗教學培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)

江東

摘 要 在利用唾液淀粉酶探究pH和溫度對酶的活性影響的實驗中出現(xiàn)了一些預期之外的實驗現(xiàn)象。記錄了學生根據(jù)實驗現(xiàn)象提出問題、分析文獻資料、討論實驗結果并重新設計方案再進行實驗探究的歷程，培養(yǎng)學生設計實驗、進行實驗的探究能力。

關鍵詞 實驗教學 探究能力 唾液淀粉酶 酶活性

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

文件編號： 1003 - 7586（2016）06 - 0049 - 03

生物科學是一門以實驗為基礎的自然科學，在教學中尤其注重學生探究能力的培養(yǎng)。人教版必修一“影響酶活性條件”的探究實驗，是高中生物教學中重點探究實驗之一。其教學目標是：① 根據(jù)探究的問題設計可行的實驗方案；② 進行有關實驗和探究，學會控制自變量，通過觀察和檢測因變量的變化，分析實驗結果，歸納溫度和pH對酶活性的影響規(guī)律；③ 學會大膽質(zhì)疑，提高用證據(jù)進行辯論的能力。

能否“用淀粉酶探究pH對酶活性的影響”，引起了師生激烈的討論。高中教學主流觀點認為，不能利用淀粉酶探究pH對酶活性的影響，原因在于淀粉可能會發(fā)生酸解，斐林試劑的有效成分Cu（OH）2可能與酸反應而失去鑒定效果等。但討論的焦點，并不在于淀粉酶是否受pH的影響，而在于如何科學地設計實驗，探究pH對淀粉酶活性的影響。

高一學生在前期已開展了一些探究活動，初步具備了提出問題、作出假設、設計實驗等進行探究活動的能力。在教師的引導下，開展“pH影響唾液淀粉酶活性”的探究活動，不僅能很好地培養(yǎng)學生的科學探究能力、提升學生的思維能力，而且有利于培養(yǎng)學生的質(zhì)疑精神。

1 教材實驗的組織和開展

“影響酶活性的條件”探究實驗中，實驗材料為質(zhì)量分數(shù)為3%的可溶性淀粉和質(zhì)量分數(shù)為5%的HCl和NaOH溶液，設置冰水、37℃水浴和沸水三種環(huán)境進行探究。實驗結果見表1。

實驗中出現(xiàn)了一些預期之外的實驗現(xiàn)象，如利用碘液（KI-I2溶液，顏色為棕黃色）鑒定pH和溫度對酶活性影響的實驗，結果表明：在5%NaOH條件下，滴加一滴KI-I2溶液，結果為無色；在沸水中滴加碘液，反應也成無色，皆與預期結果藍色不同，導致學生對實驗結果產(chǎn)生了質(zhì)疑。隨后，教師鼓勵學生用斐林試劑（藍色）進行鑒定，結果顯示5%NaOH溶液或沸水條件下酶促反應結果都呈藍色，與預期結果相同，說明酶已經(jīng)失活。但該實驗又出現(xiàn)了與預期結果不同的新現(xiàn)象，即用質(zhì)量分數(shù)為5%的HCl溶液處理的酶促反應結果為淡藍色（近無色）。學生總結實驗結論，認為：① 對于溫度對唾液淀粉酶活性的影響實驗，若采用碘液鑒定可能會出現(xiàn)誤判，而采用斐林試劑鑒定則較為理想。② 采用碘液或斐林試劑單一試劑檢測pH對淀粉酶活性的影響，皆會出現(xiàn)與預期結果不同的現(xiàn)象，無法正確評價pH對酶活性的影響。這是高中教學中認為不適合用淀粉酶探究pH對酶活性影響的重要原因之一。

2 鼓勵學生質(zhì)疑，進行深入探究

2.1 學生對實驗現(xiàn)象的質(zhì)疑與分析

為什么會出現(xiàn)與預期結果不同的實驗現(xiàn)象呢？學生查找資料文獻發(fā)現(xiàn)，碘可與NaOH發(fā)生反應，即3I2+6NaOH=5NaIO3+5NaI+3H2O，棕黃色的KI-I2溶液變?yōu)闊o色；高溫條件下，I2與酶促反應液中的某些物質(zhì)反應呈無色，失去了鑒定效果。斐林試劑有效成分Cu（OH）2與HCl反應產(chǎn)生CuCl2，也失去了鑒定意義。因此，在使用質(zhì)量分數(shù)為5%的HCl/NaOH溶液探究pH對淀粉酶活性的影響的實驗中，若只使用一種鑒定試劑，可能造成對實驗結果的誤判。

2.2 學生對pH影響酶活性實驗的改進

上述出現(xiàn)的與預期不同的實驗現(xiàn)象及對其的原因分析，引發(fā)學生的激烈討論。采用HCl和NaOH溶液探究pH對唾液淀粉酶活性影響的實驗結果發(fā)現(xiàn)，因高濃度的HCl與斐林試劑有效成分反應，使斐林試劑失去鑒定作用，而高濃度的NaOH與I2反應使I2失去鑒定作用。那么能否降低HCl和NaOH濃度，使其能使淀粉酶失活，而不影響KI-I2溶液或斐林試劑鑒定酶活性？學生探究了質(zhì)量分數(shù)為5%的HCl和NaOH溶液的100倍稀釋液對唾液淀粉酶活性的影響，實驗結果見表2。

實驗結果表明質(zhì)量分數(shù)為0.05%的HCl/NaOH溶液皆可使唾液淀粉酶失活，而且采用KI-I2溶液或斐林試劑皆可有效地鑒定pH對淀粉酶活性的影響。其原理在于，較低濃度的HCl或NaOH只會消耗少量的斐林試劑有效成分Cu（OH）2或I2，不影響KI-I2溶液和斐林試劑對酶活性的鑒定。利用唾液淀粉酶探究溫度對酶活性的影響實驗表明，在沸水浴的酶促反應液中，直接滴加KI-I2溶液，混合后呈無色。經(jīng)過討論，學生在pH對淀粉酶活性影響實驗的基礎上，對溫度探究淀粉酶活性的實驗進行了改進，即在冰水、37℃水和沸水水浴中酶促反應5 min后，加入1 mL 質(zhì)量分數(shù)為0.05%的NaOH溶液，利用NaOH中斷酶促反應，在常溫下進行KI-I2溶液的正常鑒定，或加入1ml斐林試劑后水浴加熱鑒定，鑒定結果見表2。實驗表明該方法可以用KI-I2溶液和斐林試劑鑒定溫度對淀粉酶活性的影響。

3 教學反思

有計劃、有效地組織好學習過程中的探究活動，有利于培養(yǎng)學生的探究能力。探究式學習既有利于學生很好地學習科學概念，也有利于學生領悟科學本質(zhì)的學習方法。人教版教材中提出的“建議用淀粉酶探究溫度對酶活性的影響，用過氧化氫酶探究pH對酶活性的影響”給高中教學帶來了較大的困惑，這種影響甚至出現(xiàn)在高考試題中。如：2013江蘇高考生物試卷第23題，參考答案中給出“用斐林試劑檢測pH對唾液淀粉酶活性的影響是不可行的”；2012年高考全國理綜卷第33題認為利用淀粉酶探究pH對淀粉酶活性的影響是可行的。在課堂教學中，教師鼓勵學生根據(jù)教材提示，自主探究pH和溫度對唾液淀粉酶活性影響實驗的可行性，通過查找文獻對實驗中出現(xiàn)預期之外的實驗現(xiàn)象科學解釋原因，并根據(jù)實驗結果對實驗重新設計、探究、分析；經(jīng)過解決問題、產(chǎn)生新問題、再解決新問題，層層遞進，最終找到解決問題的方法，這充分體現(xiàn)了培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng)的基本流程。

在實驗教學中，學生的自主探究證明，pH影響唾液淀粉酶活性的實驗中，降低5%的HCl和NaOH溶液濃度至0.05%，即可利用常量KI-I2溶液和斐林試劑正常探究pH對唾液淀粉酶活性的影響。溫度對唾液淀粉酶活性的研究表明，利用KI-I2溶液鑒定沸水水浴中的淀粉酶活性，因?qū)嶒灛F(xiàn)象為無色，可能會導致對實驗的誤判。學生在pH對酶活性影響實驗的基礎上，通過討論并改進實驗，即在探究溫度對淀粉酶活性實驗中，在酶促反應后利用0.05%鹽酸或氫氧化鈉使淀粉酶變性失活，中斷反應，即可用KI-I2溶液或斐林試劑鑒定溫度對酶活性的影響。實驗過程中，教師通過引導學生自主搜索文獻、討論、設計并動手操作實驗，挖掘出學生身上蘊藏的巨大潛力，同時也極大地促進了學生的學習熱情，培養(yǎng)了學生的科學素養(yǎng)。這種模擬科學家工作的學習方式，既有利于學生很好地學習科學概念，也有利于領悟科學本質(zhì)。