導(dǎo)語(yǔ)：高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：利用DNS法定量測(cè)量不同溫度條件下淀粉酶催化淀粉產(chǎn)生的還原糖含量，用圖示和文字解釋溫度對(duì)淀粉酶活性的影響，并建構(gòu)溫度對(duì)酶活性影響的生物學(xué)模型，將“探究溫度對(duì)酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量化設(shè)計(jì)，切實(shí)提升科學(xué)思維能力。

關(guān)鍵詞：酶活性；定量測(cè)定；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；高中生物學(xué)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》建議，在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)［1］。“探究溫度對(duì)酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)研究中的測(cè)量方法、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的良好平臺(tái)。選用合適的定量測(cè)定淀粉酶活性的方法是該實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裢茝V的關(guān)鍵，受到廣大教師的重視［2］。鄧純臻等人［3］報(bào)告了利用滲透裝置和滲透原理比較不同實(shí)驗(yàn)組淀粉水解產(chǎn)物(葡萄糖+麥芽糖)量的方法，設(shè)計(jì)巧妙，但裝置復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)。筆者嘗試選用DNS試劑鑒定還原糖，并借助分光光度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)還原糖含量進(jìn)行定量檢測(cè)。通過(guò)這一改變，學(xué)生能運(yùn)用測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建構(gòu)溫度對(duì)淀粉酶活性影響的關(guān)系曲線，形成相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，有利于科學(xué)思維能力的提升，也為學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和生活中，理解溫度對(duì)復(fù)雜生命活動(dòng)的影響規(guī)律打下基礎(chǔ)。

1教學(xué)目標(biāo)

(1)學(xué)會(huì)應(yīng)用分光光度計(jì)測(cè)定還原糖含量的方法。(2)小組合作，規(guī)范完成實(shí)驗(yàn)操作，并設(shè)計(jì)合適的記錄表正確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(3)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制曲線，用文字描述溫度對(duì)淀粉酶活性的影響規(guī)律。

2實(shí)驗(yàn)原理

用α淀粉酶可以酶切淀粉分子中的α1，4葡萄糖苷鍵，使淀粉分解產(chǎn)生還原糖。在單位時(shí)間內(nèi)，溶液中還原糖量越多，說(shuō)明酶的催化活力越高。在堿性條件下，水浴加熱可以使還原糖與DNS試劑(主要成分為3，5二硝基水楊酸，黃色)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成3氨基5硝基水楊酸(棕紅色)。3氨基5硝基水楊酸在540nm波長(zhǎng)下有最大吸收峰，而且在一定范圍內(nèi)，吸光度值與還原糖的量成正比關(guān)系。利用分光光度法，測(cè)定不同溫度條件下，相同時(shí)間內(nèi)淀粉酶催化淀粉水解所得產(chǎn)物與DNS試劑反應(yīng)后的吸光度值，進(jìn)而比較不同溫度條件下淀粉酶活性的大小。

3實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)步驟較多，并需要使用分光光度計(jì)等儀器，難度較大，以2—4名學(xué)生為一組，由小組合作完成。

3．1實(shí)驗(yàn)材料與器具

0．005%α淀粉酶溶液、0．25%可溶性淀粉溶液、DNS試劑、5%NaOH溶液、蒸餾水、恒溫水浴鍋、大燒杯、冰塊、玻璃棒、溫度計(jì)、試管、試管架、帶刻度的滴管(或微量移液器)、記號(hào)筆、分光光度計(jì)、比色皿等。

3．2實(shí)驗(yàn)步驟

教師在本實(shí)驗(yàn)操作前，以視頻微課或預(yù)實(shí)驗(yàn)等形式對(duì)DNS法測(cè)還原糖、分光光度計(jì)測(cè)量物步步地進(jìn)行深入探究，基本達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。但也出現(xiàn)了一些問(wèn)題:學(xué)生進(jìn)行握手實(shí)驗(yàn)后，手上會(huì)沾滿淀粉，無(wú)法較好處理，因此可在課前提前準(zhǔn)備好一盆清水，便于實(shí)驗(yàn)完成后清洗。除此之外，由于本堂課教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)生探究活動(dòng)較多，這一堂課的時(shí)間安排太滿，在教學(xué)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間控制得不太理想，因此教師要精確協(xié)調(diào)活動(dòng)時(shí)間。質(zhì)含量的原理進(jìn)行講授，并在課堂上進(jìn)一步對(duì)分光光度計(jì)和比色皿的使用進(jìn)行示范。教師還需根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，準(zhǔn)備好合適的溶液對(duì)分光光度計(jì)進(jìn)行調(diào)零。(1)在不同溫度條件下，淀粉酶催化淀粉水解。實(shí)驗(yàn)設(shè)置6個(gè)溫度組:0℃(冰浴)、22℃(室溫)、35℃、45℃、65℃和85℃。每組取2支試管，分別標(biāo)記為A和B。A試管中加1mL0．005%α淀粉酶溶液，B試管中加1mL0．25%可溶性淀粉溶液，在相應(yīng)的溫度水浴中保溫5min后，將A試管溶液倒入B試管，搖勻混合后在原溫度水浴中繼續(xù)保溫，5min后向試管中加入1mL5%NaOH溶液終止反應(yīng)。(2)用DNS法，還原糖顯色。分別向各組試管中加入DNS試劑1mL，搖勻后置于85℃水浴5min。冷卻至室溫，觀察溶液顏色深淺并記錄(表1)。(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄:于540nm處，用對(duì)照組溶液(用等量蒸餾水替代淀粉酶溶液，其他處理與實(shí)驗(yàn)組完全相同)調(diào)零。用分光光度計(jì)測(cè)量各組溶液在540nm波長(zhǎng)條件下的吸光度值(OD)并記錄(表1)。

4結(jié)果和討論

教師組織各小組分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行班級(jí)交流。

4．1DNS顯色結(jié)果

使用DNS法檢測(cè)還原糖時(shí)，還原糖量越多溶液顏色越深。從顯色結(jié)果(圖略)可以看到，22℃到65℃，溶液顏色逐漸加深，說(shuō)明溶液中還原糖含量隨溫度遞增，即酶活性與溫度正相關(guān)。85℃組顏色比65℃組淺，即酶活性降低。

4．2溫度對(duì)α淀粉酶活性影響曲線

以溫度為橫坐標(biāo)、OD值為縱坐標(biāo)，通過(guò)Excel軟件繪制淀粉酶的溫度———活性曲線(圖1)。

4．3結(jié)果交流，構(gòu)建模型

各小組交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)小組間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一些差異。教師引導(dǎo)學(xué)生分析歸納曲線的變化趨勢(shì)，可以得出結(jié)論:45℃—65℃是α淀粉酶的最適溫度范圍，有很高的催化活性;＜45℃時(shí)，酶的活性隨溫度升高而升高;＞65℃酶的活性會(huì)隨溫度升高而下降。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)整體結(jié)果的分析，有利于學(xué)生基于科學(xué)事實(shí)，構(gòu)建溫度對(duì)酶活性影響關(guān)系的數(shù)圖1溫度對(duì)α淀粉酶活性影響曲線學(xué)模型，提升學(xué)生科學(xué)思維能力。運(yùn)用該模型學(xué)生可以解釋人體體溫相對(duì)恒定的意義。

4．4拓展研究，探討機(jī)理

高溫和低溫影響淀粉酶活力的機(jī)理是否相同?教師首先展示預(yù)實(shí)驗(yàn)的部分結(jié)果:預(yù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在0℃和85℃各增加了1組試管。這2組試管在5min反應(yīng)結(jié)束后，不是加入1mL5%NaOH溶液，而是置于65℃水浴繼續(xù)反應(yīng)，5min后加入1mL5%NaOH溶液終止反應(yīng)，DNS顯色，分光光度計(jì)測(cè)試。結(jié)果:低溫預(yù)處理組OD值與原來(lái)的65℃處理組接近;85℃預(yù)處理的酶活性沒(méi)有恢復(fù)。引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教材中有關(guān)蛋白質(zhì)、酶的內(nèi)容進(jìn)行分析，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，低溫影響分子運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度減慢，提高溫度可以提高反應(yīng)速度;高溫會(huì)使蛋白質(zhì)變性導(dǎo)致酶失活，是不可逆的傷害。

5影響實(shí)驗(yàn)的因素

由于本方法定量檢測(cè)的還原糖濃度限制，實(shí)驗(yàn)中所采用的淀粉溶液、淀粉酶溶液濃度都非常低，并且需要嚴(yán)格控制。因此不同批次配制的試劑之間的差異、不同學(xué)生操作過(guò)程中試劑添加量的誤差、時(shí)間控制的誤差等，均會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吸光度值的檢測(cè)帶來(lái)較顯著的影響。最常見(jiàn)的異常情況:①在酶的最適溫度范圍條件下，產(chǎn)生的還原糖量過(guò)高，導(dǎo)致溶液吸光度值超過(guò)分光光度計(jì)的最大測(cè)量范圍;②由于DNS試劑的添加量不足，導(dǎo)致低溫或高溫組吸光度值測(cè)出負(fù)值;③時(shí)間控制不嚴(yán)，導(dǎo)致某些溫度組數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常等。因此，每次實(shí)驗(yàn)前，教師都需要通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定合適的淀粉溶液和酶溶液濃度，并適當(dāng)調(diào)整保溫時(shí)間、顯色時(shí)間等反應(yīng)條件，并引導(dǎo)學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中變量的控制。

主要參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國(guó)教育部．普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)［M］．北京:人民教育出版社，2018:5660．

［2］汪岱華．“探究酶的工作特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］．生物學(xué)教學(xué)，2019，44(11):4649．

［3］鄧純臻，隆平．“探究淀粉酶的最適溫度”的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)踐［J］．生物學(xué)教學(xué)，2018，43(3):4748．

作者：柯文匯 單位：上海市格致中學(xué)