高中生物學實驗教學設計與實踐

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摘要：利用DNS法定量測量不同溫度條件下淀粉酶催化淀粉產生的還原糖含量，用圖示和文字解釋溫度對淀粉酶活性的影響，并建構溫度對酶活性影響的生物學模型，將“探究溫度對酶活性的影響”實驗進行定量化設計，切實提升科學思維能力。

關鍵詞：酶活性；定量測定；實驗教學；高中生物學

《普通高中生物學課程標準(2017年版)》建議，在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質［1］。“探究溫度對酶活性的影響”實驗是學生學習生物學研究中的測量方法、分析實驗數據、定量表述實驗結果的良好平臺。選用合適的定量測定淀粉酶活性的方法是該實驗能否推廣的關鍵，受到廣大教師的重視［2］。鄧純臻等人［3］報告了利用滲透裝置和滲透原理比較不同實驗組淀粉水解產物(葡萄糖+麥芽糖)量的方法，設計巧妙，但裝置復雜、實驗時間較長。筆者嘗試選用DNS試劑鑒定還原糖，并借助分光光度計和標準曲線對還原糖含量進行定量檢測。通過這一改變，學生能運用測得的實驗數據建構溫度對淀粉酶活性影響的關系曲線，形成相應的數學模型，有利于科學思維能力的提升，也為學生在今后的學習和生活中，理解溫度對復雜生命活動的影響規律打下基礎。

1教學目標

(1)學會應用分光光度計測定還原糖含量的方法。(2)小組合作，規范完成實驗操作，并設計合適的記錄表正確記錄實驗數據。(3)基于實驗結果繪制曲線，用文字描述溫度對淀粉酶活性的影響規律。

2實驗原理

用α淀粉酶可以酶切淀粉分子中的α1，4葡萄糖苷鍵，使淀粉分解產生還原糖。在單位時間內，溶液中還原糖量越多，說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)發生氧化還原反應，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波長下有最大吸收峰，而且在一定范圍內，吸光度值與還原糖的量成正比關系。利用分光光度法，測定不同溫度條件下，相同時間內淀粉酶催化淀粉水解所得產物與DNS試劑反應后的吸光度值，進而比較不同溫度條件下淀粉酶活性的大小。

3實驗材料和方法

本實驗步驟較多，并需要使用分光光度計等儀器，難度較大，以2—4名學生為一組，由小組合作完成。

3．1實驗材料與器具

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、試管、試管架、帶刻度的滴管(或微量移液器)、記號筆、分光光度計、比色皿等。

3．2實驗步驟

教師在本實驗操作前，以視頻微課或預實驗等形式對DNS法測還原糖、分光光度計測量物步步地進行深入探究，基本達到預期的教學效果，體現了學生的主體地位，培養了生物學學科核心素養。但也出現了一些問題:學生進行握手實驗后，手上會沾滿淀粉，無法較好處理，因此可在課前提前準備好一盆清水，便于實驗完成后清洗。除此之外，由于本堂課教學內容多，學生探究活動較多，這一堂課的時間安排太滿，在教學過程中各個環節的時間控制得不太理想，因此教師要精確協調活動時間。質含量的原理進行講授，并在課堂上進一步對分光光度計和比色皿的使用進行示范。教師還需根據學生的實驗設計方案，準備好合適的溶液對分光光度計進行調零。(1)在不同溫度條件下，淀粉酶催化淀粉水解。實驗設置6個溫度組:0℃(冰浴)、22℃(室溫)、35℃、45℃、65℃和85℃。每組取2支試管，分別標記為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保溫，5min后向試管中加入1mL5%NaOH溶液終止反應。(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)實驗結果記錄:于540nm處，用對照組溶液(用等量蒸餾水替代淀粉酶溶液，其他處理與實驗組完全相同)調零。用分光光度計測量各組溶液在540nm波長條件下的吸光度值(OD)并記錄(表1)。

4結果和討論

教師組織各小組分析實驗結果并進行班級交流。

4．1DNS顯色結果

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

4．2溫度對α淀粉酶活性影響曲線

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

4．3結果交流，構建模型

各小組交流實驗結果，發現小組間實驗數據有一些差異。教師引導學生分析歸納曲線的變化趨勢，可以得出結論:45℃—65℃是α淀粉酶的最適溫度范圍，有很高的催化活性;＜45℃時，酶的活性隨溫度升高而升高;＞65℃酶的活性會隨溫度升高而下降。通過對實驗整體結果的分析，有利于學生基于科學事實，構建溫度對酶活性影響關系的數圖1溫度對α淀粉酶活性影響曲線學模型，提升學生科學思維能力。運用該模型學生可以解釋人體體溫相對恒定的意義。

4．4拓展研究，探討機理

高溫和低溫影響淀粉酶活力的機理是否相同?教師首先展示預實驗的部分結果:預實驗時，在0℃和85℃各增加了1組試管。這2組試管在5min反應結束后，不是加入1mL5%NaOH溶液，而是置于65℃水浴繼續反應，5min后加入1mL5%NaOH溶液終止反應，DNS顯色，分光光度計測試。結果:低溫預處理組OD值與原來的65℃處理組接近;85℃預處理的酶活性沒有恢復。引導學生結合教材中有關蛋白質、酶的內容進行分析，學生會發現，低溫影響分子運動，導致化學反應速度減慢，提高溫度可以提高反應速度;高溫會使蛋白質變性導致酶失活，是不可逆的傷害。

5影響實驗的因素

由于本方法定量檢測的還原糖濃度限制，實驗中所采用的淀粉溶液、淀粉酶溶液濃度都非常低，并且需要嚴格控制。因此不同批次配制的試劑之間的差異、不同學生操作過程中試劑添加量的誤差、時間控制的誤差等，均會對實驗結果吸光度值的檢測帶來較顯著的影響。最常見的異常情況:①在酶的最適溫度范圍條件下，產生的還原糖量過高，導致溶液吸光度值超過分光光度計的最大測量范圍;②由于DNS試劑的添加量不足，導致低溫或高溫組吸光度值測出負值;③時間控制不嚴，導致某些溫度組數據出現異常等。因此，每次實驗前，教師都需要通過預實驗確定合適的淀粉溶液和酶溶液濃度，并適當調整保溫時間、顯色時間等反應條件，并引導學生重視實驗探究過程中變量的控制。

主要參考文獻

［1］中華人民共和國教育部．普通高中生物學課程標準(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”實驗的教學設計與實踐［J］．生物學教學，2019，44(11):4649．

［3］鄧純臻，隆平．“探究淀粉酶的最適溫度”的實驗優化設計和實踐［J］．生物學教學，2018，43(3):4748．

作者：柯文匯 單位：上海市格致中學