高中生物学实验教学设计与实践

摘要：利用DNS法定量测量不同温度条件下淀粉酶催化淀粉产生的还原糖含量，用图示和文字解释温度对淀粉酶活性的影响，并建构温度对酶活性影响的生物学模型，将“探究温度对酶活性的影响”实验进行定量化设计，切实提升科学思维能力。

关键词：酶活性；定量测定；实验教学；高中生物学

《普通高中生物学课程标准(2017年版)》建议，在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质［1］。“探究温度对酶活性的影响”实验是学生学习生物学研究中的测量方法、分析实验数据、定量表述实验结果的良好平台。选用合适的定量测定淀粉酶活性的方法是该实验能否推广的关键，受到广大教师的重视［2］。邓纯臻等人［3］报告了利用渗透装置和渗透原理比较不同实验组淀粉水解产物(葡萄糖+麦芽糖)量的方法，设计巧妙，但装置复杂、实验时间较长。笔者尝试选用DNS试剂鉴定还原糖，并借助分光光度计和标准曲线对还原糖含量进行定量检测。通过这一改变，学生能运用测得的实验数据建构温度对淀粉酶活性影响的关系曲线，形成相应的数学模型，有利于科学思维能力的提升，也为学生在今后的学习和生活中，理解温度对复杂生命活动的影响规律打下基础。

1教学目标

(1)学会应用分光光度计测定还原糖含量的方法。(2)小组合作，规范完成实验操作，并设计合适的记录表正确记录实验数据。(3)基于实验结果绘制曲线，用文字描述温度对淀粉酶活性的影响规律。

2实验原理

用α淀粉酶可以酶切淀粉分子中的α1，4葡萄糖苷键，使淀粉分解产生还原糖。在单位时间内，溶液中还原糖量越多，说明酶的催化活力越高。在碱性条件下，水浴加热可以使还原糖与DNS试剂(主要成分为3，5二硝基水杨酸，黄色)发生氧化还原反应，生成3氨基5硝基水杨酸(棕红色)。3氨基5硝基水杨酸在540nm波长下有最大吸收峰，而且在一定范围内，吸光度值与还原糖的量成正比关系。利用分光光度法，测定不同温度条件下，相同时间内淀粉酶催化淀粉水解所得产物与DNS试剂反应后的吸光度值，进而比较不同温度条件下淀粉酶活性的大小。

3实验材料和方法

本实验步骤较多，并需要使用分光光度计等仪器，难度较大，以2—4名学生为一组，由小组合作完成。

3．1实验材料与器具

0．005%α淀粉酶溶液、0．25%可溶性淀粉溶液、DNS试剂、5%NaOH溶液、蒸馏水、恒温水浴锅、大烧杯、冰块、玻璃棒、温度计、试管、试管架、带刻度的滴管(或微量移液器)、记号笔、分光光度计、比色皿等。

3．2实验步骤

教师在本实验操作前，以视频微课或预实验等形式对DNS法测还原糖、分光光度计测量物步步地进行深入探究，基本达到预期的教学效果，体现了学生的主体地位，培养了生物学学科核心素养。但也出现了一些问题:学生进行握手实验后，手上会沾满淀粉，无法较好处理，因此可在课前提前准备好一盆清水，便于实验完成后清洗。除此之外，由于本堂课教学内容多，学生探究活动较多，这一堂课的时间安排太满，在教学过程中各个环节的时间控制得不太理想，因此教师要精确协调活动时间。质含量的原理进行讲授，并在课堂上进一步对分光光度计和比色皿的使用进行示范。教师还需根据学生的实验设计方案，准备好合适的溶液对分光光度计进行调零。(1)在不同温度条件下，淀粉酶催化淀粉水解。实验设置6个温度组:0℃(冰浴)、22℃(室温)、35℃、45℃、65℃和85℃。每组取2支试管，分别标记为A和B。A试管中加1mL0．005%α淀粉酶溶液，B试管中加1mL0．25%可溶性淀粉溶液，在相应的温度水浴中保温5min后，将A试管溶液倒入B试管，摇匀混合后在原温度水浴中继续保温，5min后向试管中加入1mL5%NaOH溶液终止反应。(2)用DNS法，还原糖显色。分别向各组试管中加入DNS试剂1mL，摇匀后置于85℃水浴5min。冷却至室温，观察溶液颜色深浅并记录(表1)。(3)实验结果记录:于540nm处，用对照组溶液(用等量蒸馏水替代淀粉酶溶液，其他处理与实验组完全相同)调零。用分光光度计测量各组溶液在540nm波长条件下的吸光度值(OD)并记录(表1)。

4结果和讨论

教师组织各小组分析实验结果并进行班级交流。

4．1DNS显色结果

使用DNS法检测还原糖时，还原糖量越多溶液颜色越深。从显色结果(图略)可以看到，22℃到65℃，溶液颜色逐渐加深，说明溶液中还原糖含量随温度递增，即酶活性与温度正相关。85℃组颜色比65℃组浅，即酶活性降低。

4．2温度对α淀粉酶活性影响曲线

以温度为横坐标、OD值为纵坐标，通过Excel软件绘制淀粉酶的温度———活性曲线(图1)。

4．3结果交流，构建模型

各小组交流实验结果，发现小组间实验数据有一些差异。教师引导学生分析归纳曲线的变化趋势，可以得出结论:45℃—65℃是α淀粉酶的最适温度范围，有很高的催化活性;＜45℃时，酶的活性随温度升高而升高;＞65℃酶的活性会随温度升高而下降。通过对实验整体结果的分析，有利于学生基于科学事实，构建温度对酶活性影响关系的数图1温度对α淀粉酶活性影响曲线学模型，提升学生科学思维能力。运用该模型学生可以解释人体体温相对恒定的意义。

4．4拓展研究，探讨机理

高温和低温影响淀粉酶活力的机理是否相同?教师首先展示预实验的部分结果:预实验时，在0℃和85℃各增加了1组试管。这2组试管在5min反应结束后，不是加入1mL5%NaOH溶液，而是置于65℃水浴继续反应，5min后加入1mL5%NaOH溶液终止反应，DNS显色，分光光度计测试。结果:低温预处理组OD值与原来的65℃处理组接近;85℃预处理的酶活性没有恢复。引导学生结合教材中有关蛋白质、酶的内容进行分析，学生会发现，低温影响分子运动，导致化学反应速度减慢，提高温度可以提高反应速度;高温会使蛋白质变性导致酶失活，是不可逆的伤害。

5影响实验的因素

由于本方法定量检测的还原糖浓度限制，实验中所采用的淀粉溶液、淀粉酶溶液浓度都非常低，并且需要严格控制。因此不同批次配制的试剂之间的差异、不同学生操作过程中试剂添加量的误差、时间控制的误差等，均会对实验结果吸光度值的检测带来较显著的影响。最常见的异常情况:①在酶的最适温度范围条件下，产生的还原糖量过高，导致溶液吸光度值超过分光光度计的最大测量范围;②由于DNS试剂的添加量不足，导致低温或高温组吸光度值测出负值;③时间控制不严，导致某些温度组数据出现异常等。因此，每次实验前，教师都需要通过预实验确定合适的淀粉溶液和酶溶液浓度，并适当调整保温时间、显色时间等反应条件，并引导学生重视实验探究过程中变量的控制。

主要参考文献

［1］中华人民共和国教育部．普通高中生物学课程标准(2017年版)［M］．北京:人民教育出版社，2018:5660．

［2］汪岱华．“探究酶的工作特点”实验的教学设计与实践［J］．生物学教学，2019，44(11):4649．

［3］邓纯臻，隆平．“探究淀粉酶的最适温度”的实验优化设计和实践［J］．生物学教学，2018，43(3):4748．

作者：柯文汇 单位：上海市格致中学