利用手持技術開展中學生物科學探究
——探究過氧化氫酶的最適pH

鄭耀賢 胡佳娜

［1北京師范大學（珠海）附屬高級中學 廣東珠海 519080 2珠海市唐國安紀念學校 廣東珠海 519080］

手持技術，也稱掌上技術，是由數據采集器、傳感器和相配套的軟件組成的定量采集數據，并能與計算機連接的實驗技術系統［1］，具有便攜、直觀、實時、量化等特點。生物學是一門實驗性科學，實驗教學是中學生物學教學的重要組成部分，開展探究性實驗能提高學生的科學素養，是達成課程目標的重要途徑。

“探究影響酶活性的條件”是人教版高中生物學必修1第5章第1節的一個探究實驗，本探究的開展多以定性的角度進行探究，學生在探究過程缺乏直觀的數據支撐。同時，長期只依靠定性的方法進行探究使得學生的探究熱情不大。新課程標準建議“在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。教師應向學生提供機會學習量的測定，實事求是地記錄整理和分析實驗資料定量表述實驗結果等”［2］。本文以“探究過氧化氫酶的最適pH”為案例，將數字化傳感技術與生物科學探究有機結合，為中學生物科學探究提供參考。

1 實驗設計

1.1 過氧化氫酶的獲取和保存 開展完整的探究實驗不是一次就能成功的，人教版教材建議用新鮮的肝臟作為材料，但是新鮮肝臟必須早晨到市場購買，制作肝臟研磨液的過程也較麻煩，由此增加了實驗準備的難度，成為學生開展探究的一個障礙。通過查閱文獻和預實驗，發現用馬鈴薯作為實驗材料，具有效果好、取材方便等優點，因此本研究用馬鈴薯勻漿作為過氧化氫酶的來源。由于酶的活性容易受溫度影響，因此在獲得馬鈴薯勻漿后，應將勻漿置于冰箱低溫保存。

1.2 馬鈴薯稀釋液的配制 酶具有高效性，較高濃度的酶催化過氧化氫反應會在短時間內迅速產生大量氧氣，容易達到傳感器的閥值，導致無法得出真實的數據。本研究通過預實驗，得出1 mL馬鈴薯勻漿加入49 mL水的稀釋比例，能將反應速率控制在傳感器的閥值以內。

1.3 變量的明確與控制 本實驗的自變量很明顯，重點是明確因變量和做好無關變量的控制。因變量是酶的活性，酶的活性可以單位時間內反應物的減少量或者生成物的增加量進行轉換衡量，本實驗利用傳感技術，量化氧氣的增加量，同時通過肉眼觀察記錄氣泡的產生量，以定量為基礎，定性為輔助?？刂坪脽o關變量過氧化氫的量也是本實驗成功的關鍵，市售過氧化氫濃度為30%，過氧化氫濃度過高容易出現達到傳感器閥值的問題，過氧化氫不足又會影響實驗結果的正確性。通過反復實驗，摸索出以上反應系統中加入1 mL 30%過氧化氫，能很好地控制反應速率，并確定底物過氧化氫在以上反應系統中是過量的，實驗結果如表1：

表1 馬鈴薯過氧化氫酶用量對過氧化氫反應速率的影響（溫度：15℃，反應時間：60 s，n=3）

1.4 pH梯度的設定 本實驗先以1為階，設置了14個pH梯度和1個空白對照組（空白對照組為 50 mL水+1 mL 30%H2O2），共 15組，學生能據此習得過酸、過堿會使酶失活的概念和該酶活性較高的pH范圍，再以0.5為階，探究過氧化氫酶的最適pH。

2 實驗原理

細胞中含有能將代謝過程產生的過氧化氫分解為水和氧氣的過氧化氫酶，利用馬鈴薯研磨液中的過氧化氫酶催化過氧化氫釋放氧氣，2H2O2=2H2O+O2，過酸、過堿會使酶失活，不同的酶具有不同的最適pH。

3 實驗儀器與藥品

1）實驗儀器。 數據采集器、pH 傳感器（0～14）、溶解氧傳感器（0～20 mg/L）、錐形瓶（150 mL）、電腦、冰箱、燒杯、研缽、紗布、量筒、天平、微量移液器。

2）實驗藥品。氫氧化鈉溶液（5%）、氯化氫溶液（5%）、過氧化氫（30%）、二氧化硅、馬鈴薯。

4 實驗步驟

1）制作馬鈴薯勻漿。將馬鈴薯去皮，稱取30 g，切片，放入研缽，加入適量二氧化硅，研磨至漿狀，加入20 mL清水，搖勻，過濾，得到馬鈴薯勻漿，置于冰箱保存。

2）組裝數據采集器和pH傳感器及電腦（圖 1），并進行調試。

圖1 數據采集器+pH傳感器

3）調pH。在錐形瓶中各加入49 mL清水，再各滴加1 mL馬鈴薯勻漿，搖勻，將pH傳感器放入錐形瓶，反復搖勻，啟動數據采集，讀出溶液pH，用微量移液器移取5%氫氧化鈉或者5%氯化氫，配制梯度為1，pH范圍為1～14的14組馬鈴薯勻漿稀釋液（圖2）。

圖2 pH范圍為1～14的14組馬鈴薯勻漿稀釋液

4）連接數據采集器和溶解氧傳感器及電腦（圖 3），并進行調試。

圖3 數據采集器+溶解氧傳感器

5）向馬鈴薯勻漿稀釋液中加入1 mL過氧化氫溶液（30%），將溶解氧傳感器插入反應裝置中，60 s后根據軟件生成圖形讀取數據（圖4），記錄，依此類推，逐個進行操作。

圖4 系統軟件生成的圖形和數據

6）重復實驗3次，整理相關數據并用Origin繪圖軟件繪制圖形。

7）縮小探究范圍，重復以上2～3步驟配制出pH梯度為0.5的實驗組，重復以上4～6步驟完成實驗。

5 實驗結果與分析

據表 2 和圖 5可知，pH=1、2、13、14 時， 溶氧量都與空白對照組相等，肉眼觀察不到氣泡，說明過酸、過堿會導致過氧化氫酶失活，無法催化過氧化氫分解。pH在3～6之間和12，溶解氧的值也較低，肉眼能觀察到個別氣泡，說明過氧化氫酶的活性較低。pH在6～9之間隨著pH的升高，溶解氧快速上升，肉眼觀察到很多氣泡，說明酶的活性較高。綜上所述，推測馬鈴薯的過氧化氫酶的活性受pH影響很明顯，pH介于7～11之間，其活性較高，進一步探究最適pH，以0.5為階進行設置。

據表 3和圖 6可發現，pH在 7～11之間都能產生較多氣泡，傳感器測得數據顯示pH介于8～10之間馬鈴薯含有的過氧化氫酶活性都很高，本實驗測得活性最高時pH為9.5。

本實驗利用傳感技術,同時結合肉眼觀察，綜合分析認為，馬鈴薯的過氧化氫酶的最適pH為9.5。

表2 pH（1～14）對馬鈴薯過氧化氫酶活性的影響（溫度：15℃，反應時間：60 s，n=3）

表3 pH（7～11）對馬鈴薯過氧化氫酶活性的影響（溫度：15℃，反應時間：60 s，n=3）

圖5 pH（1～14）對馬鈴薯過氧化氫酶活性的影響

圖6 pH（7～11）對馬鈴薯過氧化氫酶活性的影響

6 思考

搜索發現，本實驗已有研究方法幾乎都局限于定性研究，可喜的是潘金元［3］、馬秀芬［4］等研究者已經開始運用定量研究的方法開展相關生物科學研究。過于繁雜的實驗準備會挫傷學生繼續進行科學探究的積極性，新生代的中學生對數字化、信息化有高度的敏感性和吸引力，利用數字化手持技術開展生物科學探究，并對實驗材料等進行優化，降低實驗的繁雜程度，增加實驗的現代化氣息，激發學生開展探究的欲望，為創新人才的培養奠定基礎。

以數字化手持技術作為研究手段，有助于學生理解和認識生命科學的實質，改變學習方式，激發學習興趣，提高學生科學探究的水平［5］。利用數字化手持技術測定了過氧化氫酶的最適pH，獲得良好的效果，中學生物學中的部分實驗，可以結合該手段進行進一步探究。

主要參考文獻

［1］錢揚義.手持技術在理科實驗中的應用研究.北京:高等教育出版社,2003:1.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準(實驗).北京:人民教育出版社,2003:35.

［3］潘金元,陳明林.“探究影響酶活性的條件”的定量實驗.生物學通報,2014,49（9）：47.

［4］馬秀芬,趙秀清.嘗試做數字化實驗：“比較過氧化氫酶和Fe3+的催化效率”教學設計.中小學信息技術教育,2008（7－8）:82.

［5］王磊,魏銳,范林.傳感技術：化學實驗探究手冊.北京:北京師范大學出版社,2007:6.