人教版高中《生物学》必修1第5章第1节创新实验：探究温度对酶活性的影响教学设计-2024-2025学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

人教版高中《生物学》必修1第5章第1节创新实验：探究温度对酶活性的影响 一、教材分析 本实验选自人教版高中《生物学》必修 1 第 5 章第 1 节“探究 ·实践 ”栏目“影响酶活性的 条件 ”。通过这一内容，学生对前面所学“酶的作用与本质 ”能具备更加深刻的理解，同时 为后面学习影响光合作用和呼吸作用的因素奠定基础，具有承上启下作用。同时，通过实验， 学生可以学习科学方法，训练探究技能。因此，创造条件让学生亲自动手探究是很有必要的。 二、学情分析 （1）知识基础：通过之前的学习，学生具备酶具有催化能力和酶具有专一性、高效性等相 关知识，还不能直观理解酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行。 （2）实验能力：学生已经具备初步进行探究实验设计的能力，可以设计较简单的实验流程， 具备科学设置自变量、控制无关变量、检测因变量的意识，但是缺少实际操作和对定量实验 进行数据分析的训练。 三、实验教学目标 （一）生命观念 通过实验，认识酶在最适温度下活性最强，温度过高或过低酶活性均下降。 （二）科学思维 （1）通过实验数据构建出温度影响酶活性的数学模型； （2）通过设计方案、讨论交流和评价，发展思辨能力、评价能力和批判性思维。 （三）科学探究 通过实验和探究，学习和运用控制自变量、观察和检测因变量、设置对照组和重复组， 提升探究能力。 （四）社会责任 认同酶制剂在生产生活中的广泛应用需要适宜的环境条件，领悟酶与生活的密切联系， 增强科学研究的社会责任感。 四、教学方法 （1）教法：启发式教法、探究性教法 （2）学法：探究学习法、小组合作法 五、实验原理 酶催化特定化学反应的能力称为酶活性。酶活性可用在一定条件下酶所催化的某一化学 反应的速率表示。蔗糖酶在适宜条件下可催化蔗糖水解为葡萄糖和果糖，含糖量下降。 六、实验器材 质量分数为 2%的蔗糖溶液、质量浓度为 2%的蔗糖酶溶液、离心管、滴管、试管架、塑 料滴管、恒温水浴锅、糖度计 七、实验创新要点 （1）材料的改进 教材上建议学生用淀粉酶和可溶性淀粉溶液作为材料。根据实际情况，可溶性淀粉溶液 在常温条件下不能直接完全溶解于水，只会缓慢溶胀形成胶体乳浊液，而淀粉酶容易沉淀， 均会影响设置的浓度，并且每次使用前需震荡摇匀使用，操作不便。而蔗糖和蔗糖酶均无色 透明，不会沉淀，因此本次实验换用蔗糖酶和蔗糖溶液作为实验材料，经过预实验发现，10% 的蔗糖与4%的蔗糖酶溶液效果较好。实验所用α-淀粉酶的最适温度在 60℃左右，实验中温 度梯度往往设置在 40—80℃之间，而蔗糖酶的最适温度在40—50℃ , 因此改进后学生设置 较低的一系列温度梯度可以观察到比较明显的现象，这会使实验过程更加安全，并且蔗糖和 蔗糖酶溶液都具备方便获取、价格便宜的优点。 图 1 淀粉与淀粉酶 图 2 蔗糖与蔗糖酶 （2） 自变量的控制 根据教材提供的试剂可设置三个温度梯度，分别是冰浴、60℃水浴和沸水浴，没有进行 等梯度的设置，组别少，并且设置的温度容易受气温的影响而在实验过程中发生改变。因此， 本次实验采用恒温水浴锅，恒温水浴锅可提前设置不同的温度进行保温，实验误差小，可信 度高。 图 3 恒温水浴锅 （3）器具的改进 教材提供的实验器具为玻璃试管，常见的试管体积较大，没有刻度，加样不便，实验需 要用到的试管数量较多，学生在实验操作时容易混淆或手忙脚乱打破试管，且恒温水浴锅中 一次性能放置的试管数量有限；试管为敞口，温度较高的情况下进行保温可能会产生凝集的 小水珠滴落影响溶液浓度。因此我将试管换为 15ml 带盖离心管，体积小， 自带刻度，操作 方便，可以有效减小实验误差。 图 4 离心管 （4）因变量的检测指标 教材提供碘液，通过颜色定性地判断淀粉酶活性高低，但是学生无法直观地感受温度变 化对酶活性的影响。因此，考虑到蔗糖被蔗糖酶水解为果糖和葡萄糖，溶液中含糖量会变化， 我采购了更加精确的糖度计用于含糖量的检测，进而定量地判断温度对酶活性的影响。对 1 摩尔每升蔗糖和 1 摩尔每升葡萄糖分别进行含糖量的检测，蔗糖含糖量更高，说明糖度计受 蔗糖浓度变化影响更大，因此，蔗糖水解，糖度计指数下降。 图 5 1mol/l 蔗糖含糖量 图 6 1mol/l 葡萄糖含糖量 八、实验教学过程 （1）发现问题 展示生活中相关现象：加酶洗衣粉比普通洗衣粉具更强的去污能力，能把衣物清洗得更 加干净鲜亮。其注意事项中强调：加酶洗衣粉需在适宜温度下使用，原因可能是什么？ （2）作出假设 学生可以想到温度对酶的使用，即温度对酶活性可能有一定影响。以此作为探究目的， 学生作出假设：酶在适宜温度下活性较高，升高或降低温度酶活性均下降。 （3）设计实验 教师展示实验原理，提供相关实验材料及用具，引导学生完成学历案上的实验流程设计。 其中，教师提出问题 1：实验自变量和因变量分别是什么？如何设置自变量、检测因变量？ 学生通过小组讨论，可以回答利用恒温水浴锅设置不同温度作为自变量，利用糖度计检测蔗 糖水解的情况作为因变量的指标。进一步提出问题 2，系列温度梯度分别设置为多少℃? 因 为课堂时间有限，教师直接给出相关提示，大多数学生据此设置 10℃作为梯度。对于实验 中的重点操作步骤教师针对性提出问题 3，学生进行组内相互讨论，根据已学知识酶具有高 效性回答应先分别对蔗糖酶和蔗糖溶液进行保温之后再混合。完善实验设计后，学生开始进 行实验。 （4）进行实验 学生以小组为单位在 20℃—80℃的温度下分别进行实验，温度梯度为 10℃ , 共 7 组， 每个温度梯度重复实验三次，记录相应的实验数据。40℃下进行反应时含糖量最低，说明蔗 糖酶活性较高，推测蔗糖酶的最适温度位于 30℃到 50℃之间。接着，进一步探究蔗糖酶作 用的最适温度，缩小温度梯度，继续实验。此时在 30℃到 55℃之间进行实验，温度梯度为 5℃ , 实验共 6 组，同样每个温度梯度重复实验三次。 （5）实验数据的处理与分析 学生重复实验三次，绘制表格记录实验数据计算平均值作为结果，为了呈现出温度改变 时，酶活性的连续变化趋势，我引导学生将实验结果绘制成曲线图。 图 7 温度对酶活性的影响变化曲线图 （6）结论与反思 根据曲线图，可以明显地看出，在一定范围内，随着温度的升高，含糖量先下降后上升， 因此蔗糖酶活性先上升后下降。在 45℃左右，蔗糖酶活性最高。得出此结果之后，教师进 一步引导学生思考：将温度升高或降低至适宜温度，酶活性可以恢复吗？鼓励学生动手检验。 将进行低温和高温保温处理的酶放到适宜温度下进行反应。反应之后，通过糖度计对实验结 果进行检测。通过实验检验，学生发现，低温处理后的酶活性可恢复，高温处理后的酶活性 不可恢复。教师及时总结重点知识：高温通过破坏酶的空间结构导致酶活性下降，这种变化 是不可逆的，而低温并未破坏酶的空间结构。 图 8 温度由 20℃升至 45℃时含糖量 图 9 温度由 80℃降至 45℃时含糖量 九、收获与不足 （一）收获 （1）通过使用糖度计记录实验数据，并构建数学模型，学生对温度对酶活性的影响进行定 量探究。 （2）学生设计方案、进行讨论交流，其思辨能力、评价能力和批判性思维得到强化。 （3）在实验中，学生通过控制自变量、设置对照组和重复组，其实验操作能力和探究能力 得到提升。 （二）不足 （1）探究温度对酶活性的影响实验中，应设置无关变量pH 为蔗糖酶的最适 pH4.6，但蔗糖 在此pH 条件下会水解，对实验结果会有一定影响。 （2）温度对酶活性影响的原理尚未能够直观呈现出来。 学科网（北京）股份有限公司 $$