Ферменты — биологические катализаторы. Лабораторная работа № 1 «Изучение каталитической активности ферментов на примере каталазы»
Цели и задачи
- Цель: к концу урока учащиеся объяснят роль ферментов как биологических катализаторов и проведут опыт, сравнивающий активность каталазы в исследуемом образце и контрольной пробе, зафиксировав наблюдения и сформулировав вывод.
- Образовательная задача: раскрыть связь строения и свойств фермента с его каталитической активностью, специфичностью и условиями работы.
- Развивающая задача: сформировать умение планировать простой эксперимент, выделять переменные, сравнивать контроль и опыт и делать вывод на основе наблюдений.
- Развивающая задача: совершенствовать навыки чтения экспериментального протокола, ведения таблицы данных и аргументированного представления результата.
- Воспитательная задача: поддерживать ответственное отношение к лабораторной безопасности, доказательности научных выводов и сотрудничеству при исследовании.
Планируемые результаты
Личностные
- Учащиеся осознают значение ферментов для жизнедеятельности организмов и практики биотехнологий и медицины.
- Проявляют интерес к исследовательской деятельности и связывают экспериментальную биологию с возможными направлениями дальнейшего обучения.
- Соблюдают правила безопасной и ответственной работы с лабораторными материалами.
- Относятся к результатам опыта критически и не подменяют наблюдения заранее ожидаемым выводом.
Метапредметные
- Учащиеся выделяют цель, независимую и зависимую переменные и условия, которые необходимо сохранять одинаковыми.
- Сопоставляют опытную пробу с контролем, представляют наблюдения в таблице и объясняют, какие данные подтверждают вывод.
- Работают с инструкцией и устно формулируют причинно-следственную связь между действием фермента и наблюдаемым выделением газа.
- Распределяют роли в группе, задают уточняющие вопросы и аргументированно представляют результат.
- Переносят биологическое знание на межпредметный контекст химической реакции и медицинского применения ферментов.
Предметные
- Учащиеся объясняют, почему ферменты относят к биологическим катализаторам, и называют их роль в ускорении химических реакций.
- Описывают специфичность фермента и зависимость его активности от условий среды, включая температуру и кислотность.
- Объясняют, что каталаза расщепляет пероксид водорода с образованием воды и кислорода.
- Проводят опыт с каталаза-содержащим материалом, сравнивают интенсивность наблюдаемого газообразования в опытной пробе и контроле.
- Формулируют вывод, опираясь на фактические наблюдения, и называют ограничения проведённого опыта.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Соотносят изучение каталазы с практическими задачами биологии, медицины и биотехнологии.
- Определяют личный вклад в общую работу группы и принимают ответственность за соблюдение инструкции.
- Проявляют познавательную инициативу при выдвижении гипотезы и оценке результатов.
- Осознают ценность проверяемого знания и корректного описания опыта.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель исследования и планируют последовательность действий по лабораторной инструкции.
- Соблюдают временной регламент и распределяют роли: исполнитель, наблюдатель, секретарь и докладчик.
- Сравнивают наблюдения с критериями опыта и при необходимости уточняют описание результата.
- Оценивают точность вывода, указывая, какие переменные могли повлиять на наблюдение.
Познавательные УУД
- Извлекают из инструкции сведения о реагентах, последовательности действий и мерах безопасности.
- Различают опытную пробу и контроль, определяют независимую и зависимую переменные.
- Объясняют наблюдаемое выделение пузырьков как признак образования газа при разложении пероксида водорода.
- Строят причинно-следственную модель «фермент — субстрат — продукты реакции» и формулируют вывод по данным.
Коммуникативные УУД
- Согласуют распределение ролей и очередность выполнения лабораторных действий в группе.
- Задают вопросы о контроле, переменных и достоверности наблюдений.
- Представляют результат кратко, различая наблюдение и его интерпретацию.
- Учитывают мнения участников группы и корректно уточняют вывод при обнаружении расхождений.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на каждую группу из 3–4 учащихся по две подписанные пробирки, штатив, пипетки, защитные очки и поддон; предусмотреть запасной комплект.
- Приготовить свежий водный экстракт дрожжей или одинаковые по размеру кусочки сырого картофеля и разбавленный раствор пероксида водорода низкой концентрации; не использовать концентрированный раствор.
- Разлить пероксид водорода по небольшим подписанным ёмкостям непосредственно перед лабораторной частью; подготовить воду для контрольной пробы.
- Распечатать инструкцию лабораторной работы, таблицу наблюдений и краткий лист самооценки — по одному комплекту на каждого ученика.
- Подготовить карточки с ситуациями для межпредметной связи с химией и медициной — по одной на группу.
- На доске или экране разместить схему «фермент + субстрат → продукты», уравнение разложения пероксида водорода и напоминание о безопасной работе.
- Подготовить бумажные полотенца, ёмкость для использованных материалов и средство для обработки рабочего места; заранее проверить порядок утилизации по правилам кабинета.
- Обеспечить оборудование: проектор или интерактивную доску для показа проблемного вопроса и схемы; лабораторное оборудование разместить на подносах по группам.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и проблемный крючок (2 мин)
Цель этапа: организовать класс и вызвать исследовательский интерес к вопросу о том, как организм ускоряет химические реакции.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает на экране два одинаковых изображения: закрытую пробирку с пероксидом водорода и пробирку, в которой после добавления биологического материала появились пузырьки. «Здравствуйте, ребята. Сегодня мы будем не только говорить о биологических катализаторах, но и проверим их действие опытом. Посмотрите на изображения: в одной пробе заметных изменений нет, а в другой появились пузырьки. Как вы думаете, что могло ускорить превращение вещества? Какое наблюдение поможет нам отличить предположение от доказательства?» Учитель принимает гипотезы, не объявляя ответ заранее. | Подготавливают тетради и лабораторные листы, рассматривают изображения и предлагают гипотезы: «В ткани есть вещество, ускоряющее реакцию», «Пузырьки могут быть газом». Записывают или мысленно формулируют вопрос, на который предстоит ответить. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели явление и выдвинули несколько объяснений. Чтобы выбрать обоснованное, сначала восстановим, что уже знаем о катализаторах и химических реакциях».
Этап 2. Актуализация знаний и выявление затруднения (5 мин)
Цель этапа: актуализировать понятия о химической реакции и катализаторе и зафиксировать, чего пока недостаточно для объяснения опыта.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит приём «Подумай — обсуди в паре — поделись». «За полминуты самостоятельно вспомните, что называют катализатором. Затем обсудите с соседом: изменяется ли катализатор в ходе реакции и зачем он нужен? После обсуждения две пары предложат формулировки, а мы зафиксируем общий ответ на доске». Учитель записывает ключевые слова: «ускоряет», «не расходуется в целом». | Индивидуально формулируют ответ, одну минуту обсуждают его в паре и предлагают классу варианты: «Катализатор ускоряет реакцию», «Он не является конечным продуктом реакции». Сопоставляют ответы с записью на доске. |
3 мин | Учитель задаёт вопросы и указывает на проблемное изображение. «Что именно мы видим в активной пробе? Можно ли по одним пузырькам сразу утверждать, что реакцию ускорил фермент? Что нужно сравнить, чтобы вывод был убедительнее?» Учитель фиксирует на доске слова «наблюдение», «контроль», «сравнение» и просит назвать недостающие сведения. | Отвечают: «Видны пузырьки», «Нужна проба без фермента или без биологического материала», «Нужно одинаковое количество реагента и одинаковое время наблюдения». Формулируют затруднение: «Пока не установлено, связано ли газообразование с действием фермента». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили общий смысл катализа и увидели, что одного наблюдения недостаточно. Теперь точно сформулируем исследовательский вопрос и определим, какие условия нужно сравнить».
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать проверяемую гипотезу и спланировать сравнение опытной и контрольной проб.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель ведёт короткий сократовский диалог. «Какой субстрат может встретиться в нашей пробе? Как понять, что реакция идёт? Какой материал добавим в опытную пробирку? Что оставим в контрольной? Если объём раствора и время будут различаться, сможем ли мы сравнить результаты?» Учитель помогает классу уточнить переменные, не формулируя гипотезу вместо учеников. | Предполагают: «Субстрат — пероксид водорода», «Признак реакции — пузырьки газа», «В опыт добавим каталаза-содержащий материал, а контроль оставим без него». Называют одинаковые объёмы и одинаковое время наблюдения как контролируемые условия. |
2 мин | Учитель записывает исследовательский вопрос и просит завершить фразу: «Если каталаза присутствует, то… потому что…». «Запишите вопрос: проявляет ли биологический материал каталитическую активность при разложении пероксида водорода? Договоримся, что вывод будем делать только по сравнению проб». На доске учитель фиксирует цель и распределяет группы по 3–4 человека. | Формулируют гипотезу, например: «Если в образце есть активная каталаза, то после добавления пероксида появятся пузырьки интенсивнее, чем в контроле». В группе распределяют роли: исполнитель, наблюдатель, секретарь и докладчик. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вопрос, гипотеза и контроль у нас определены. Перед экспериментом разберём, как связать наблюдение с химической реакцией и почему реакция в живых системах не происходит случайно».
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Этап 4. Открытие нового знания и межпредметная связь (10 мин)
Цель этапа: вывести основные свойства ферментов и связать биологическое объяснение с химическим уравнением и практическим контекстом.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель показывает схему «фермент + субстрат → продукты» и обращается к классу. «Представьте, что в клетке постоянно идут реакции, необходимые для обмена веществ. Многие из них без ускорения шли бы слишком медленно. Фермент — биологический катализатор: он ускоряет определённую реакцию, взаимодействуя с подходящим субстратом. Как вы думаете, почему один фермент не обязательно действует на любое вещество? Посмотрите на схему: какое место здесь занимает субстрат, а какое — продукт?» Учитель принимает формулировки и уточняет понятие специфичности. | Рассматривают схему, объясняют её своими словами и отвечают: «У фермента есть соответствие определённому субстрату», «Субстрат превращается в продукты». Записывают ключевые слова: «катализатор», «субстрат», «специфичность». |
3 мин | Учитель записывает на доске уравнение $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$ и подчёркивает формулу кислорода. «В нашей лабораторной модели субстратом служит пероксид водорода, а каталаза ускоряет его разложение. Пузырьки — это наблюдаемый признак выделения газа, но интенсивность пузырьков сама по себе не даёт точного количественного измерения. Какой вывод допустим, а какой будет чрезмерным?» | Соотносят уравнение с наблюдением и отвечают: «Можно заключить, что газ выделяется», «Нельзя по одному визуальному наблюдению точно измерить скорость реакции». Записывают уравнение и пояснение, что каталаза не является продуктом реакции. |
3 мин | Учитель раздаёт группам карточки с межпредметными ситуациями: применение ферментов в пищевой промышленности, использование ферментных препаратов в медицине и роль каталитических процессов в химии. «Прочитайте ситуацию и за минуту найдите связь с сегодняшней моделью: что может выступать субстратом, зачем нужен фермент и какое условие важно учитывать? Не переносите вывод опыта на любой фермент без проверки». | Обсуждают карточку и готовят одно объяснение. Представляют варианты: «В пищевом производстве ферменты ускоряют нужные превращения», «В медицине активность фермента зависит от условий среды», «Фермент специфичен, поэтому важен подходящий субстрат». Отмечают, что условия опыта ограничивают обобщение. |
Запись в тетрадях
Учащиеся записывают: «Ферменты — биологические катализаторы, ускоряющие определённые химические реакции. Каталаза ускоряет разложение пероксида водорода: $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$. Пузырьки газа служат качественным признаком реакции; для вывода необходим контроль и одинаковые условия сравнения».
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы связали биологическое понятие с химическим уравнением и увидели, почему фермент действует избирательно. Теперь проверим гипотезу в безопасном опыте, сравнив две пробы».
Этап 5. Лабораторная работа: исследование каталитической активности каталазы (8 мин)
Цель этапа: выполнить опыт с соблюдением техники безопасности и получить сопоставимые качественные наблюдения для опытной и контрольной проб.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает очки, пробирки и подписанные ёмкости. «Перед началом наденьте защитные очки. Пероксид не пробуем и не наносим на кожу; при попадании на кожу сразу сообщите мне и промойте участок водой. Не направляйте пробирку на себя или соседа, не смешивайте растворы произвольно. Сегодня используем только подготовленный разбавленный раствор и выполняем указанные шаги». Учитель выдаёт на группу инструкцию и проверяет, что пробирки подписаны «опыт» и «контроль». | Надевают очки, читают инструкцию, подписывают две пробирки и подтверждают распределение ролей. Не открывают ёмкости с реактивом до сигнала учителя. |
4 мин | Учитель проговаривает протокол и демонстрирует дозирование. «В обе пробирки внесите одинаковый объём разбавленного пероксида водорода. В опытную пробирку добавьте одинаковое количество подготовленного экстракта дрожжей или кусочек картофеля одинакового размера. Контрольную пробу оставьте без биологического материала. Наблюдайте обе пробы одинаковое время и не встряхивайте их по-разному». Учитель обходит группы, сверяет объёмы и напоминает не делать вывод до сравнения. | Исполнитель добавляет одинаковый объём пероксида в обе пробирки, затем — подготовленный биологический материал только в опытную. Наблюдатель сравнивает появление и выраженность пузырьков. Секретарь фиксирует данные в таблице, например: «опыт — заметное выделение пузырьков; контроль — отсутствуют или единичные». |
2 мин | Учитель просит отделить факт от объяснения. «Сначала назовите только то, что вы увидели, без слов “доказали” и “точно”. Затем сравните опыт с контролем. Что в нашем опыте было переменной, а какие условия мы старались сохранить одинаковыми? Если группы получили разные результаты, проверьте, одинаковы ли были количество материала и время наблюдения». | Секретарь завершает таблицу наблюдений. Учащиеся называют факт и интерпретацию раздельно: «В опытной пробе было больше пузырьков; это согласуется с выделением кислорода при действии каталазы». Указывают независимую переменную — наличие биологического материала, а также необходимость одинаковых объёмов и времени. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вы получили наблюдения и сравнили опыт с контролем. Теперь важно сформулировать вывод так, чтобы он отвечал на исследовательский вопрос и не выходил за пределы полученных данных».
Этап 6. Первичное закрепление и разбор результата (7 мин)
Цель этапа: закрепить алгоритм интерпретации лабораторных данных и научиться формулировать вывод с учётом контроля и ограничений опыта.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель предлагает группам дополнить шаблон вывода на доске: «В опытной пробе наблюдалось…, в контрольной…, следовательно…». «Не пишите, что опыт доказал свойства всех ферментов: мы проверяли только конкретную модель с каталазой и пероксидом. Подтвердите каждую часть вывода наблюдением». Учитель приглашает одну группу прочитать формулировку. | В группах составляют и озвучивают вывод: «В пробе с биологическим материалом выделялось больше пузырьков, чем в контроле; это согласуется с каталитическим разложением пероксида водорода каталазой». Остальные отмечают, содержит ли ответ сравнение и основание. |
4 мин | Учитель задаёт аналитические вопросы. «Почему важен контроль? Что могло исказить сравнение? Как мы проверили бы влияние температуры, если бы захотели продолжить исследование? Можно ли по высоте пены точно сравнить скорость реакции без стандартизированного измерения?» Учитель помогает классу выделить ограничения: размер образца, температура, концентрация и субъективность оценки пузырьков. | Отвечают: «Контроль показывает, что происходит без добавленного биологического материала», «Размер образца и объёмы могли различаться», «Нужно менять только температуру, остальные условия сохранить», «Для точного сравнения нужен измеряемый показатель». Формулируют, что опыт качественный, а не точное измерение скорости. |
Эталон вывода для самопроверки
В опытной пробе с каталаза-содержащим материалом наблюдалось более выраженное выделение пузырьков, чем в контрольной пробе без него. Наблюдение согласуется с тем, что каталаза ускоряет разложение пероксида водорода с образованием кислорода и воды. Вывод качественный: визуальная оценка пузырьков не позволяет точно определить скорость реакции. Для повышения надёжности следует уравнять количество образца, объём раствора, температуру и время наблюдения.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вы сформулировали вывод, отделили наблюдение от объяснения и назвали ограничения опыта. Теперь каждый самостоятельно проверит, насколько уверенно может применить эти идеи к новому варианту ситуации».
Этап 7. Самостоятельная работа с самопроверкой и оцениванием (5 мин)
Цель этапа: индивидуально проверить понимание роли фермента, контроля и переменных в эксперименте.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт короткие карточки трёх уровней и поясняет критерий. «Выберите базовый вариант, а если готовы — выполните также повышенный. Ситуация: исследователь сравнил действие каталазы при двух температурах, но в одной пробе использовал больше экстракта. Укажите, почему вывод о влиянии температуры ненадёжен, и предложите, что нужно изменить в постановке опыта. Работайте самостоятельно, на ответ есть три минуты». | Индивидуально отмечают смешение переменных и записывают исправление: «Количество экстракта должно быть одинаковым; меняется только температура». Учащиеся, выбравшие повышенный вариант, добавляют прогноз, как изменение температуры может повлиять на активность, избегая необоснованно точного численного ответа. |
2 мин | Учитель выводит эталон проверки. «Проверьте себя: в ответе должны быть названы различие в количестве экстракта, невозможность однозначно связать результат с температурой и способ исправления. Поставьте себе отметку по трём критериям: нашёл ошибку, объяснил её, предложил корректный контроль». Учитель просит показать карточкой-светофором уровень уверенности. | Сверяют ответ с тремя критериями, отмечают самооценку и поднимают зелёную, жёлтую или красную карточку. При необходимости подчёркивают один пункт, который нужно уточнить. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Большинство из вас увидело, что в эксперименте важно менять только один фактор. Завершим урок короткой рефлексией и зафиксируем, что именно вы теперь можете объяснить и проверить».
Этап 8. Рефлексия, билет на выход и домашнее задание (4 мин)
Цель этапа: организовать самооценку достижения цели урока и дать учащимся посильное задание для переноса знания.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает «Билет на выход». «На отдельной строке ответьте: что в опыте служило признаком действия каталазы, зачем нужна контрольная проба и какое ограничение опыта вы считаете наиболее важным? Ответьте своими словами и сдайте лист перед выходом. Не переписывайте определение — покажите, что поняли связь между наблюдением и выводом». | Пишут индивидуальный ответ: «Пузырьки указывают на выделение газа; контроль позволяет сравнить результат без добавленного образца; визуальная оценка не даёт точного измерения скорости». Сдают билет на выход. |
2 мин | Учитель кратко сообщает домашнее задание и просит выбрать уровень с учётом готовности. «Обязательная часть доступна каждому; повышающий и дополнительный уровни выбирайте осознанно. Перед уходом назовите одним предложением, что сегодня стало для вас новым». | Записывают выбранный уровень домашнего задания и завершают фразу: «Теперь я могу объяснить…» или «Мне нужно уточнить…». |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — соблюдены правила безопасности и последовательность протокола; опытная и контрольная пробы корректно сопоставлены; наблюдения внесены в таблицу; вывод отвечает на вопрос, опирается на данные и указывает хотя бы одно ограничение опыта.
- «4» — работа выполнена безопасно, сравнение проб и наблюдения зафиксированы; вывод в целом верен, но неполно обозначены контроль, причинное объяснение или ограничение опыта.
- «3» — основные действия выполнены при напоминаниях учителя; наблюдения записаны частично; вывод содержит основную идею о действии каталазы, но недостаточно опирается на сравнение опытной и контрольной проб.
- При оценивании учитываются качество фиксации наблюдений, корректность интерпретации и соблюдение лабораторной безопасности, а не интенсивность пузырьков сама по себе.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какое наблюдение в опыте позволило предположить действие каталазы? | Проверить понимание связи между наблюдаемым признаком и интерпретацией реакции. |
Зачем в лабораторной работе была нужна контрольная проба? | Выявить понимание роли сравнения и условий обоснованного вывода. |
Какая переменная в нашем исследовании должна была различаться, а какие условия следовало сохранить одинаковыми? | Оценить понимание планирования эксперимента и контроля переменных. |
Что осталось неясным или что вы хотели бы исследовать следующим опытом? | Определить индивидуальные затруднения и поддержать исследовательскую инициативу. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня вы не просто назвали ферменты биологическими катализаторами, а проверили действие каталазы в эксперименте и сопоставили опытную пробу с контролем. Важно помнить: пузырьки — это наблюдение, а объяснение требует опоры на химическую реакцию и условия опыта. Типичная ошибка исследователя — объявлять причиной единственный фактор, если одновременно изменились несколько условий. Ваши выводы становятся сильнее, когда вы фиксируете данные, указываете ограничения и предлагаете способ улучшить эксперимент. На следующем уроке мы продолжим изучать, как условия среды влияют на активность ферментов и почему это важно для клетки и организма».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить краткую схему из 5–7 предложений или рисунка с подписями: фермент, субстрат, продукты реакции, роль каталазы и назначение контрольной пробы. Включить уравнение разложения пероксида водорода. | Закрепить понятия и последовательность причинного объяснения; при проверке обратить внимание на верное указание продуктов реакции и роли контроля. |
Средний (повышающий) | Описать план опыта из 4 шагов для проверки влияния температуры на активность каталазы: указать опытные условия, контроль, изменяемый фактор и не менее трёх условий, которые нужно сохранить одинаковыми. | Развить умение планировать эксперимент и различать независимую переменную и контролируемые условия; проверить, что меняется только температура. |
Продвинутый (дополнительный) | Предложить мини-исследование каталазы с выбором одного фактора — температуры или кислотности среды. Записать вопрос, гипотезу, план сравнения проб, ожидаемые наблюдения и одно ограничение метода; объём — до одной страницы. | Развить исследовательскую самостоятельность и аргументацию; оценить проверяемость гипотезы, корректность контроля и связь ожидаемых данных с выводом. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Что делает фермент с химической реакцией? Какой газ предположительно образовывался в нашем опыте? Почему одной опытной пробой нельзя обосновать вывод так же надёжно, как сравнением с контролем?»
