基于生物学科教室的“探究酶的特性”系列实验设计

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摘 要 本案例基于生物学科教室的资源支持，以课堂教学中的实验设计活动为载体，引导学生通过观察实验现象，产生认知冲突问题，重新设计实验方案并利用生物学科教室资源实施方案。在小组的交流碰撞中历练探究思维，在层层追问中实现知识的迁移应用，提升学科关键能力。

关键词 学科教室 探究实验设计 二次实验设计

中图分类号 Q-331 文献标志码 B

1 学科教室

学科教室是传统的教室、办公室、实验室、实验准备室、图书馆等功能场馆的结合体，可以让教学实验同步进行，既符合学生的认知规律，又恢复课堂的本真性。一方面让常态课与实验课的区别消失，另一方面教师自己管理实验器材药品、准备实验，让教师与实验员的区别消失，同时也让实验准备和实验过程即时透明，让实验设计和过程并行，避免了设计的盲目性，让理论实践并行，从而具有更突出的求真功能。

2 探究性实验设计

探究性实验设计是科学探究过程中解决问题的首要步骤，是学生历练探究思维能力的重要途径。其设计思路包括：围绕实验要求和目的、明确实验设计的原理、明确实验的变量和检测的指标、正确选择实验的材料和用品、合理设计实验步骤、注意遵循实验的对照和单一变量等最基本的原则、预测实验结果、得出结论并作出评价。

3 二次实验设计

二次实验设计是对首次实验设计方案和实施过程遇到的问题进行分析整改，在原设计的基础上进行改进和创新，从理念到步骤和细节，再到评价，体现学生实验过程中思维品质的提升和设计能力的成熟。

4 教学案例

本节课以高中生物《必修1・分子与细胞》第五章第一节“酶的本质和特性”江苏学业水平测试复习课为案例教学，充分利用我校生物学科教室资源，完成实验设计实施和二次设计。

活动一――探究酶具有专一性。活动内容：

（1） 说出实验设计思路和遵循的原则。

（2） 按设计步E（表1）进行操作出现的问题。

（3） 说说你对这些实验问题的思考并尝试重新操作。

（4） 实验中还应注意的事项并尝试改进。

学生总结：按照设计步骤（表1）操作，结果发现，由于冬季室内温度较低，操作中酶活性不够影响到实验效果；用碘液鉴定，结果发现1号试管内有蓝色产生，2号无色，说明淀粉没有被完全水解，这是因为酶活性不高引起的。实验结果说明温度这一无关变量未控制好，需要进行60℃保温处理，但处理后实验结果是两支试管均无明显的变色反应，无法证明蔗糖是否已经被水解。改用斐林试剂鉴定后，可以排除温度这一无变量的影响。此外本实验的目的是要探究是否有淀粉被分解，而不是探究淀粉是否被完全分解。所以只要检测分解产物是否存在就够了。

二次设计见表2。活动内容为：

（1） 说出再设计的理念思路。

（2） 还可以用两种酶一种底物方法证明酶有专一性，试设计。

（3） 谈谈改进后的实验感想。

活动二――探究影响唾液淀粉酶活性的最适宜温度。

（1） 说出实验设计思路。

（2） 按设计步骤（表3）进行操作出现的问题及你对这些问题的思考，并尝试重新操作。

（3） 实验中应注意事项并尝试改进。

学生总结：将底物保温在三个温度下，加入酶，经斐林试剂鉴定发现1、3试管内试管均有砖红色沉淀出现，分析可能是斐林试剂加热时改变了低温这一变量。改用碘液可以解决其影响，同时对最适温度的探究应该先做预实验确定温度范围，确定更小的温度梯度通过精敏比色分析寻找最适温度。

二次设计见表4。活动内容为：

（1） 再设计的理念思路。

（2） 说说不选用过氧化氢酶探究的原因及反应后不用斐林试剂检测的原因。

（3） 绘制酶活性受温度影响曲线，说明曲线的含义。

（4） 还可以用什么酶和底物来探究温度对酶活性影响的实验，试设计。

活动三――自主设计和分析pH对酶活性的影响实验，简要说明实验设计的材料、步骤、鉴定，绘制酶活性受pH影响的曲线模型。

学生总结：步骤和探究温度影响酶活性的实施相似但选材不用淀粉和淀粉酶的理由：

（1） 单一变量不可控。淀粉与碘的蓝色反应在pH为3～5的弱酸性环境下进行最灵敏，5

（2） 产物检测不可行。利用碘液来检测pH对淀粉酶活性的影响实验的实验现象：将淀粉加入体积分数为5%的HCl溶液后加入淀粉酶，经60℃保温反应，加入碘液后，呈现棕红色。在重复实验后，发现甚至会呈现出红色、褐色，且与滴加淀粉酶的时间有关（即淀粉于HCl中存留时间有关）。这是由于淀粉及其水解产物都能与碘液发生反应，原理是碘分子嵌入淀粉螺旋体中，形成络合物，且淀粉在酸性条件下加热，也会发生自然水解。因此，上述实验中淀粉在HCl中存留的时间不同，显色也不一样。即使在强酸环境下，淀粉酶失活，淀粉也可能不与碘产生蓝色反应，而呈现出红色、褐色等，不能准确检测淀粉酶于该pH下是否失活。那么是否就能用斐林试剂作为检测试剂呢？也不可行。斐林试剂的Cu（OH）2可与HCl产生中和作用，使斐林试剂失去鉴定作用。即使在酸性条件下，淀粉酶具活性，使淀粉水解成还原糖，也检测不出来。若利用磷酸盐-柠檬酸盐缓冲液调节pH，以唾液淀粉酶作实验材料，实验误差可能会减少。所以用淀粉酶来做pH对酶活性影响的检测实验需要考虑的因素太多。最好的方法还是改变反应底物与酶，用过氧化氢酶催化过氧化氢的分解来完成此实验。这样就能回避选择试剂中需要考虑的种种复杂问题。

5 总结反思

本节课的实验设计和操作由学生在老师带领下在学科教室内完成，学生的设计准备和课堂教学均以学科教室现场实验为背景，避免了设计的盲目性。将酶的三个实验分别从定性分析到定量分析再到自主选择类型，大大拓展学生的知识广度和深度，激发了学生的学习兴趣，锻炼其能力，提高了学科素养。同时江苏学业水平考核实验复习要求短平快，简明高效，往往缺乏课堂的理性思维和科学探究的空间。本节实验复习课堂设计的关键基于学科教室的资源支持，通过实验视频的精心引入，防止课堂时间等待和酶的高效性实验的危险性。三个实验设计内容从定性到定量的递进和优化层层深入，让学生的理性思维得到充分训练。设计和实验中问题的分析都有小组和教师的参与和点评，让知识应用准确定位。许多专家学者提出课堂深度学习概念，实验课堂上要让学生产生深度学习，教师要特别注意问题情境的创设（特别是在实验过程中遇到的问题一定要正面分析解决）、知识的对接、方法的迁移、思维的递进，走出“做实验不如做实验题”的认识误区。从本节课的教学设计以实验设计带实验过程再带实验设计，反复锻炼学生的理性思维和动手操作本领，其中学科教室的理论支持和实践平台功能突显，说明基于学科教室的实验设计和操作的必要性、优越性，对于江苏现行的学业水平必修考试中的实验复习是一种参照模式。教师要关注学生理性思维、科学探究能力的培养，这是一个渐进的过程。教师在平时的教学中，要创新教学环境、教学方法和教学评价，将提高学生的核心素养作为教学的价值取向，将总目标分解到每一节课中，做到春风化雨，润物无声之效。

参考文献：

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[4] 傅道春.新课程中教学技能的变化[M].北京：首都师范大学出版社，2003，8.

[5] 郑春和.中学生物学探究教学模式的研讨[J].课程・教材・教法，2001，（11）：39-44.