在实验教学中培养学生科学思维和科学探究能力初探——以“温度对酶促反应速率的影响”为例

闵凡芹

(江苏省扬州大学附属中学 扬州 225002)

温度对酶促反应速率的影响是苏教版高中生物学教材必修1第4章课题研究“影响酶促反应速率的因素”中的部分内容。教材未对温度如何影响酶促反应这一实验内容进行详细的说明，给教师和学生研究和探索留下空间。笔者以此为契机，探索在实验教学中培养学生科学思维和科学探究能力的方法。

1 深度解析实验原理，启迪科学思维

温度对酶促反应速率的影响主要体现在两个方面： 一方面，酶促反应同其他大多数化学反应一样，温度高低会影响分子运动，改变反应物的能量状态，从而影响酶促反应速率，表现为在较低的温度范围内，酶促反应的速率随着温度的升高而加快；另一方面，过高的温度促使酶蛋白的构象改变，使原来与底物契合的活性中心消失，从而使酶变性失活。表现为超过一定的温度后，反应速率反而下降。

探究温度对酶促反应速率的影响可以以淀粉酶水解淀粉这一反应为研究对象： 首先，这一反应的实验试剂淀粉溶液、淀粉酶、鉴定用的碘液都较容易获取；其次，随着淀粉酶水解淀粉过程的进行，会生成不同分子量的糊精作为产物，这些产物与碘反应会呈现不同的颜色变化，从而可以判断淀粉水解程度，如图1所示，间接反映酶促反应速率。在实际教学中，对于实验材料的选择，教师可以鼓励学生大胆提出自己的见解，以此进行发散思维的训练，而对于实验原理的剖析，可以使学生深入理解课程知识，启迪学生的科学思维。

图1 淀粉酶水解淀粉的系列产物

2 绘制思维导图，引导实验探究

2.1 设计“温度对酶促反应速率影响”的实验方案 实验已确定选用淀粉溶液、工业淀粉酶、碘液作为实验材料，教师进一步提问，使学生思考： 如何在实验设计中控制单一变量？自变量和因变量分别是什么？如何设置温度梯度，怎样实现温度的设定值？实验中还需要哪些仪器和试剂？如何确定实验流程？引导学生将这些思考的过程绘制成思维导图，图2可作为参考。

图2 温度对酶促反应速率影响的实验思维导图

2.2 确定具体实验流程 教师可以展示图2思维导图中实验流程的步骤提示，引导学生在预实验的基础上进一步确定具体的实验操作步骤，并绘制成直观、条理的表格，优化学生思维、提升其分析和归纳能力。笔者在预实验基础上确定的实验步骤如表1所示，另采用A4文件保护膜自制点滴板简化鉴定的过程，可以使实验结果更加直观。

表1 “温度对酶促反应的影响”实验步骤

2.3 延伸探究“时间对酶促反应速率的影响” 酶促反应需要一定的时间，反应时间越长淀粉水解越彻底，那么怎样设计实验验证这一结论呢？教师引导学生进一步思考，并鼓励学生自己确定具体实验流程。表2是笔者确定的实验步骤。

表2 “时间对酶促反应的影响”实验步骤

3 构建“数学模型”，提升探究能力

高中生物学课程标准提出，要让学生了解数学模型在科学研究中的重要作用，培养学生的建模思维和能力。通过前面的实验探究，学生获得了一些图片性质的实验结果。在此基础上，教师可以稍加引导，让学生利用Excel软件，将实验结果绘制成简单的曲线图，这不仅可以加深学生对课堂知识“温度对酶促反应速率的影响”这一教学内容的直观理解，还可以让他们真实体验科学探究的过程，提高对科学研究的兴趣，对于学生科学思维能力的培养也有着重要的意义。图3是笔者进行温度对酶促反应速率影响得到的实验结果，将碘液鉴定后的颜色变化程度用0～10数字进行表示(数字越大说明与淀粉和碘液反应的颜色相比变化程度越大)，就可以绘制成如图4“温度对酶促反应速率的影响”曲线图。

图3 不同温度淀粉的水解程度

图4 温度对酶促反应速率的影响

学生在平时的考试和练习中，应该看到过很多次时间对酶促反应速率影响的曲线图，在本实验中教师可以引导学生按上述“温度对酶促反应速率影响”的曲线模型的制作方法将不同反应时间下淀粉酶水解淀粉的实验结果(图5)，进一步转换成数学模型(图6)。

图5 不同反应时间下淀粉水解程度

图6 时间对酶促反应速率影响

4 巧妙提问，延伸思考

通过本次实验教学，学生初步掌握了数学模型的构建方法，也对科学研究充满了探索的欲望和兴趣。教师可以趁热打铁，不囿于教材或文献提供的材料和实验方案，给予学生自由发挥的空间，并在充分讨论和查阅资料中获得知识的升华和能力的提升。例如，有学生会提出： 用过氧化氢在酶的作用下分解产生氧气的过程来探索温度对酶促反应速率的影响，这个实验可行吗？再比如，可不可以用斐林试剂鉴定还原糖的方法来测定淀粉的水解程度？影响酶促反应速率的因素除了温度还有很多，如pH、抑制剂、激活剂等，那么如何设计实验来验证这些因素对酶促反应速率的影响？如何构建模型来对这些实验结果进行科学的描述？教师可以通过巧妙的问题设计来进一步延伸思考，这对科学探究能力的提升和科学思维的培养会有重要的帮助。