2011年10月12日

酵素單元的科學探究活動

這邊有提到我們上週辦了一個探究教學的工作坊,討論養分和循環單元的探究教學。

為了準備這個工作坊,其實我想了很久,在這兩個大單元中,到底要用過去使用過的哪種教材教法來進行呢?後來我決定就用酵素來做吧,而且要挑在課堂上好完成的。想來想去,就從白蘿蔔炸彈來玩吧。

我分析了酵素單元,我把它分成兩個部份來看,一個部份只能用講述式,因為純粹是記憶性質的知識,例如"酵素成份大多為蛋白質"這類。另外一個部份"酵素活性受酸鹼、溫度影響"、"酵素影響反應速率"則是可以採用探究的方式來教學。我想做的就是"測量不同環境下雙氧水在酵素作用下的產氧速率"。

會打算用探究教學來取代部份的講述,有個重要原因是,每次講"活性"都講得很抽象,因為這是個概念,課本上沒有對這個詞多加定義,用講的實在很難講清楚,所以這個詞最好幫它加上操作型定義,例如"反應速率"、"產氣速率"等,然後以實作來了解。

蘿蔔加雙氧水產生氧氣,這在小學5年級自然課本裡就有了,不過在那裡的重點是在於如何製備氧氣,但是我們的重點是在於酵素的作用。

我的設計很簡單,就是點滴瓶裡裝一小塊紅蘿蔔,加上不同pH值的液體,再加上雙氧水,然後吸管裡裝一段水柱插在瓶口。因為瓶子裡會產生氧氣,所以會推動吸管裡的水柱,我們藉由水柱的位置改變,來評估產氧速率。

教師先示範一次怎麼做這些實驗,操縱變因是pH,然後學生再修改實驗,想辦法減少老師示範實驗時出現的誤差,再把操作變因改成溫度,操作之後得到結論。



不同pH值的液體和雙氧水,我都用點滴瓶先裝好。酸是用檸檬酸調的,鹼是用小蘇打調的,至於雙氧水用的是 35%的高濃度,到時給學生用,我會再稀釋一些,這樣比較安全。



我先把三根吸管裡頭各裝一段水柱,裝水柱的方式是,吸管先插入水中,拇指壓住吸管上端,把吸管拿離開水面,這樣吸管內就會有一段水柱,然後把吸管放倒,水柱也不會流出來。

然後準備另外三組空瓶,在瓶子裡頭裝約略等體積的紅蘿蔔,各自滴入等量的酸、鹼和水,再滴入等量的雙氧水,蓋上點滴瓶的小滴頭,放倒瓶子,把吸管水平地和小瓶子的滴頭接合。立刻就可以看到吸管裡的水柱移動。透過水柱移動的速度就可以知道誰的產氣速率比較快,這就叫作活性高。看這個水柱跑,遠比我們上課講"活性"講老半天,學生還是一知半解,這樣要來的好吧?

產氧速率怎麼比呢?裝了第3個的時候,第一個不已經在跑了嗎?沒關係,只要把三個裝置調整一下位置,讓水柱擺在同一個起跑線上,這樣就可以比出來了。





這個示範實驗,我會用webcam轉播大螢幕給學生看,然後把材料發給各組,請他們討論我的實驗裡有哪些可以改進的地方,他們要怎麼設計他們的實驗,把這些都寫下來。

預估這個教學流程大概會比傳統的講述式,多出半節到一節課。


其實我做了很多次測試,看吸管裡要塞什麼比較好,我試過用仙草、布丁、碘液和水。仙草的效果其實不錯,和吸管內部的摩擦力也小,很容易被推動,但是用吸管去插仙草來當塞子的時候,偶爾會失敗造成漏氣。布丁的效果很不好,非常容易漏氣,碘液則是不容易吸附在管壁上,漏氣也很嚴重。試到最後,發現水的效果最好,不過水柱移動的時候,不太明顯。但至少也有好處,流出來在桌上地面,乾掉之後,了無痕跡,根本不用特別處理。

再來講到酸鹼液的配法,其實我本來野心很大,想用 pH 1~14的液體(用鹽酸和氫氧化鈉去調)來操作,我想做出像下面這樣的圖(吸管裡塞的是仙草),自然形成一個美麗的曲線。

不過實作之後,真是太難了,上面的曲線是我偽造出來的。因為瓶子太多了,會有時間差的問題,我裝到第14個的時候,第1個的水柱早就跑很遠了。後來就放棄那麼貪心的行為了,決定只用三種pH值就好了。

另外還有酵素來源的問題,我很希望我裝進去的蘿蔔是等量的。不過用切的誤差不小,所以我有想過,是不是乾脆打成蘿蔔汁加進去,但我還沒測試實際結果如何。不過我倒是想到用果汁來試試看,我去便利商店買了號稱100 %純果汁,加入雙氧水,結果沒有反應。另外,我也想到,如果加養樂多呢?裡頭的乳酸菌會不會產生什麼酵素分解雙氧水呢?測試結果,還是沒反應。所以乾脆這個問題就當作讓學生討論的問題-「如何減少實驗誤差?」


我在工作坊裡操作這組實驗時,劉新老師有給個建議,因為酵素的作用是增加反應進行速率,所以可以設計一組,只有加雙氧水,看它的氣體產生的速率是如何,再跟加了蘿蔔的比,這樣就可以說明"酵素會增加反應進行速率"的概念了。

工作坊結束之後,其實我還在想著,如何再修改這個實驗的裝置,因為裝那個水柱有點麻煩,而且也看不太清楚。想著想著,突然想起可以用注射針筒來做啊!

這個實驗裝置只要準備一個 3 ml 的注射針筒 (無針),和一坨黏土就可以了。

針筒的活塞先拔掉,然後拿黏土把針筒的出口塞住,接著加入蘿蔔、不同pH值液體、雙氧水,然後輕輕塞進活塞。再把針筒出口朝上,把黏土剝開一個小洞,讓裡頭氣體可以出來,再慢慢地把活塞往前推,推到裡頭沒有氣體為止,此時再把黏土黏好,這時活塞就會被氧氣一點一點地推出來。只要看活塞被推動 1ml 需要花多少時間就可以測反應速率了。

在操作上面這個過程時,要特別注意把黏土剝開小洞時,會有氣體帶著液體噴出來,而且噴出來的時候會正中眼睛。為了安全因素,剝黏土的時候,要強調不要剝開自己臉這一側的黏土。

這個實驗操作,其實還有很多需要修正的地方,像是明明看不見酵素,那麼我們怎麼讓學生的經驗連結到那是酵素的知識呢?這我還要再想想。

這邊有怡嘉老師的側記-10/7探究教學融入課程工作坊~酵素活性微型實驗