“探究pH對(duì)過(guò)氧化氫酶的活性影響”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和優(yōu)化*

宋 娟

（淄博市淄川區(qū)般陽(yáng)中學(xué) 山東淄博 255100）

“探究pH 對(duì)酶活性的影響”是人教版高中生物學(xué)教材必修Ⅰ中的一個(gè)重要的探究性實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生進(jìn)一步理解“酶的作用與本質(zhì)”等知識(shí)，也是學(xué)習(xí)“影響光合作用和呼吸作用的相關(guān)因素”的基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，能促進(jìn)學(xué)生掌握生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)的基本思路和方法，提高動(dòng)手實(shí)踐能力。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課程標(biāo)準(zhǔn)”）提出，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促成學(xué)生達(dá)成生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要支撐，要求教師在教學(xué)中注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的多樣化，例如，采用規(guī)范實(shí)驗(yàn)器材，利用低成本、低消耗等實(shí)驗(yàn)材料鼓勵(lì)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；在注重定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，注重定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，提高學(xué)生定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。

因此，從課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求分析，目前教材對(duì)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有以下不足：1）教材選用的實(shí)驗(yàn)裝置較為簡(jiǎn)易，實(shí)驗(yàn)材料動(dòng)物肝臟易變質(zhì)，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性；2）教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以定性實(shí)驗(yàn)為主，忽略了學(xué)生在量變中了解事物本質(zhì)的生物學(xué)思想的培養(yǎng)。針對(duì)這2 個(gè)問(wèn)題，筆者鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了部分改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的原理 過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫分解成氧和水，存在于所有已知?jiǎng)游锏母鱾€(gè)組織中，特別在肝臟中以高濃度存在。研究表明，置于空氣中易變色的植物組織含有較豐富的過(guò)氧化氫酶；植物在逆境下或衰老時(shí)，由于體內(nèi)活性氧代謝加強(qiáng)而使過(guò)氧化氫發(fā)生累積，而過(guò)氧化氫酶可清除過(guò)氧化氫，是植物體內(nèi)重要的酶促防御系統(tǒng)之一［1］。過(guò)氧化氫酶的最適溫度為37℃，最適pH值為7～7.3［2］。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料的改進(jìn) 在常溫下，教材采用的豬肝研磨液中過(guò)氧化氫酶的壽命較短，實(shí)驗(yàn)時(shí)需現(xiàn)配現(xiàn)用；此外，若選取的研磨液不新鮮，過(guò)氧化氫酶等有機(jī)物會(huì)被細(xì)菌分解，使過(guò)氧化氫酶的活性降低，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。因此，在實(shí)際操作中，該實(shí)驗(yàn)材料的制備和保存具有一定的難度［3］。教師展示問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，分小組對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過(guò)討論，選用成本較低、簡(jiǎn)便易得、易于保存的香蕉、馬鈴薯和胡蘿卜作為實(shí)驗(yàn)材料。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn) 教材中采用試管和燒杯等簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，利用點(diǎn)燃衛(wèi)生香、觀察氣泡等方法判斷過(guò)氧化氫酶的活性，觀察結(jié)果缺乏客觀性，無(wú)法定量。教師展示文獻(xiàn)資料：在保持反應(yīng)器體積不變的情況下，可設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量反應(yīng)過(guò)程中氣體壓強(qiáng)的變化反映過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率，這種實(shí)驗(yàn)裝置便于操作，靈敏度更高，準(zhǔn)確度較好［4］。在文獻(xiàn)資料的啟迪下，結(jié)合物理學(xué)和化學(xué)知識(shí)，采用U 型氣壓計(jì)判斷過(guò)氧化氫酶活性的裝置得到一致認(rèn)可。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表述方式的改進(jìn) 課程標(biāo)準(zhǔn)指出，教師應(yīng)給學(xué)生提供機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)生物學(xué)研究中的測(cè)量方法，實(shí)事求是地記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者指導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)據(jù)分析軟件將數(shù)據(jù)結(jié)果繪制成直觀的曲線圖進(jìn)行表述。

2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案 依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑教材實(shí)驗(yàn)，并引導(dǎo)學(xué)生選取馬鈴薯、香蕉和胡蘿卜等作為實(shí)驗(yàn)材料，利用U 型氣壓計(jì)進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。設(shè)計(jì)2 個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)：探究1：探究不同植物中過(guò)氧化氫酶的活性（兩兩比較進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，定性觀察）；探究2：不同pH 對(duì)不同植物材料中過(guò)氧化氫酶活性的影響（由定性觀察上升至定量實(shí)驗(yàn)）。這2 個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)?zāi)軉l(fā)學(xué)生留心觀察生活，利用生活中的材料探討生物學(xué)問(wèn)題，提高批判性思維和創(chuàng)新思維能力的同時(shí)，幫助學(xué)生掌握科學(xué)探究的基本思路，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)踐層面解決生活問(wèn)題的意愿和社會(huì)責(zé)任感。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材 U 型氣壓計(jì)，pH 計(jì)，電腦，秒表，U 型試管，錐形瓶，注射器，橡膠管，橡膠塞，玻璃管，止水夾，鐵架臺(tái)，研缽，過(guò)氧化氫溶液（3%），鹽酸，NaOH 溶液，酸性（pH=6）、中性（pH=7）及堿性（pH=8）的緩沖液，新鮮豬肝，馬鈴薯，香蕉，胡蘿卜，紅墨水等。

3 合作探究，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)

3.1 探究1：比較不同植物中過(guò)氧化氫酶的活性

3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)思考 在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展之前，根據(jù)探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，引導(dǎo)學(xué)生思考以下問(wèn)題：1）本實(shí)驗(yàn)的自變量是什么？ 2）如何排除無(wú)關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響？ 3）如何檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性？

經(jīng)小組討論后，學(xué)生提出：1）本實(shí)驗(yàn)的自變量是實(shí)驗(yàn)材料的差異；2）為了排除無(wú)關(guān)變量的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)可用打孔器將植物材料打出均勻的長(zhǎng)條并截取相同長(zhǎng)度進(jìn)行研磨，在研磨過(guò)程中加入等體積的蒸餾水，注射器中要裝入等體積等濃度的過(guò)氧化氫溶液等（圖1）；3）根據(jù)化學(xué)知識(shí)，可通過(guò)以下方法檢查裝置氣密性：利用其中一個(gè)注射器向空的裝置內(nèi)注射一定量的空氣，一段時(shí)間后，液面保持不變，說(shuō)明氣密性良好，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 植物研磨液的制備過(guò)程

3.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置 在U 型管（圖2）內(nèi)裝適量紅墨水，兩側(cè)各連接一個(gè)相同的錐形瓶，各裝有20 mL 不同植物組織的研磨液，例如馬鈴薯和香蕉研磨液。錐形瓶上方各連接一個(gè)相同的注射器，內(nèi)裝有2 mL 3%的過(guò)氧化氫溶液。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，將注射器中的過(guò)氧化氫溶液同時(shí)注射到錐形瓶中，輕輕搖勻，一段時(shí)間后觀察液面的高度差，由此可確定哪種材料中過(guò)氧化氫酶的活性較高。

圖2 探究不同植物組織中過(guò)氧化氫酶活性的實(shí)驗(yàn)裝置

3.1.3 數(shù)據(jù)分析 通過(guò)U 型管裝置，學(xué)生比較得出不同植物組織中過(guò)氧化氫酶的活性，依次為：肝臟＞馬鈴薯＞香蕉＞胡蘿卜（圖3）。

圖3 探究不同植物組織中過(guò)氧化氫酶活性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 探究2：不同pH 對(duì)不同植物的過(guò)氧化氫酶活性的影響

3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)思考 根據(jù)U 型氣壓計(jì)裝置的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生思考以下問(wèn)題：1）U 型管的粗細(xì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確性的關(guān)系？ 2）注入一定體積的過(guò)氧化氫溶液時(shí)，會(huì)對(duì)氣體體積的測(cè)量造成影響，應(yīng)怎樣消除該影響？ 3）酶具有高效性，為防止反應(yīng)過(guò)于劇烈，水從氣壓計(jì)管道中沖出，應(yīng)將植物組織研磨液進(jìn)行怎樣的處理？

經(jīng)小組討論后，學(xué)生提出：1）在一定范圍內(nèi)，U管越細(xì)，所得數(shù)據(jù)越精確；2）為了消除過(guò)氧化氫溶液對(duì)氣體體積測(cè)量的影響，可在U 型氣壓計(jì)和錐形瓶之間連接一個(gè)Y 型玻璃管，并增加一個(gè)止水夾；3）將植物的組織液進(jìn)行稀釋可防止反應(yīng)過(guò)于劇烈。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前采用同樣的方法檢查裝置氣密性，之后在錐形瓶中注入某種pH值的緩沖液10 mL 和稀釋濃度為10%的植物組織研磨液10 mL。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)先打開(kāi)止水夾，利用注射器注入濃度為3%的1 mL 過(guò)氧化氫溶液，迅速關(guān)閉止水夾（圖4），記錄10 s 后氣壓計(jì)的讀數(shù)，即過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣的體積。根據(jù)探究性實(shí)驗(yàn)的平行重復(fù)原則，多次測(cè)量取平均值，依次測(cè)定其他pH 值條件下氧氣的體積。

圖4 探究不同pH 值下植物組織中過(guò)氧化氫酶活性的實(shí)驗(yàn)裝置

3.2.3 數(shù)據(jù)分析 進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生利用pH 計(jì)，縮小pH 值梯度，依次測(cè)定氧氣的體積。然后引導(dǎo)學(xué)生利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的曲線圖可知，馬鈴薯最適pH 值約為6.4，胡蘿卜、香蕉的最適pH 值分別為6.9 和8.0（圖5）。

圖5 探究馬鈴薯、胡蘿卜和香蕉中過(guò)氧化氫酶的最適pH 值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 教學(xué)反思

本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用自主探究、合作學(xué)習(xí)的教學(xué)策略，結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，以批判性思維和創(chuàng)新性思維為指導(dǎo)，在注重生物學(xué)與其他學(xué)科內(nèi)容銜接的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。在該教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的設(shè)計(jì)以探究能力的培養(yǎng)為主線，符合學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知規(guī)律，能幫助學(xué)生有效掌握知識(shí)的同時(shí)，幫助學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維探討生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問(wèn)題，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)達(dá)成與生物學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的統(tǒng)一性。