淺議在“過氧化氫酶活性實驗”中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新探究能力

李萬瑞 陳加敏

摘要 利用“微小壓強計”設(shè)計了氧氣含量測定裝置，通過該裝置，定性和定量地測定了多種植物材料的過氧化氫酶活性。以紅薯為材料，創(chuàng)新性地測定了pH和溫度對過氧化酶活性的影響。實驗的開展提升了學生的科學探究能力，發(fā)展了學生的高級思維能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 過氧化氫酶 酶活性 pH 溫度

中圖分類號G633. 91

文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中提出：為了幫助學生達成“細胞的功能絕大多數(shù)基于化學反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細胞的特定區(qū)域”概念的理解，應(yīng)開展“探究酶催化的專一性、高效性及影響酶活性的因素”實驗。在《課程標準》探究實驗的教學實施建議中提到：在探究活動中，鼓勵學生自己觀察、思考、提問，并在提出假設(shè)的基礎(chǔ)上進行探究活動方案的設(shè)計和實施;鼓勵實驗材料的創(chuàng)新，在重視定性試驗的同時，也應(yīng)重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。

人教版等教材選用豬肝研磨液作為“探究過氧化氫酶高效性和影響因素”的實驗材料。但基于《課程標準》的要求和建議，教材提供的探究實驗有以下值得思考的問題：①豬肝研磨液具有氣味，實際教學中常引起部分學生不適，也不易保存。能否尋找到更簡單易行的材料？②能否在定性的基礎(chǔ)上，定量地檢測酶的活性？③由于過氧化氫分解易受到溫度影響，教師普遍認為不能探究溫度對過氧化氫酶的影響。但過氧化氫酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，活性必然受到溫度的影響。能否設(shè)計出實驗，探究溫度對該酶的影響？針對這三個問題，在教師的引導(dǎo)下，學生利用物理實驗中常用的“微小壓強計”，設(shè)計出“微小壓強計”氧氣含量測定裝置。學生利用該裝置，在直觀定性觀察的基礎(chǔ)上，定量檢測了多種生物材料中的過氧化氫酶活性，自主測定了pH對紅薯過氧化氫酶活性的影響;創(chuàng)新實驗方案，探究了溫度對過氧化氫酶活性的影響。該實驗展科學地測定了過氧化氫酶的活性，有利于加深學生對酶特點的理解，提升學生的科學探究能力、質(zhì)疑精神、高級思維和創(chuàng)新能力。

1 微小壓強計氧氣測定裝置的設(shè)計

實驗用具：利用錐形瓶、棉線，鐵鉤、試管、橡膠管、橡皮塞、微小壓強計、滴管、鐵架臺、注射器等。

裝置安裝：在250 mL的錐形瓶中放入適量的過氧化氫溶液，橡皮塞上插上鐵絲和導(dǎo)氣管，用棉線將實驗材料懸掛在鐵絲的下端。在橡皮塞安裝在錐形瓶口上，通過導(dǎo)氣管和橡膠管連通鐵架臺上的微小壓強計，并在裝置的所有連接處涂上凡士林進行密封。實驗裝置如圖1所示。

實驗操作程序：先用棉線吊著鐵絲，鐵絲上掛有固體實驗材料，目的是防止實驗材料中的過氧化氫酶在測定前與過氧化氫溶液接觸。然后，用手按壓鐵絲，使實驗材料與錐形瓶中的過氧化氫溶液接觸反應(yīng)，或者通過注射器將液體實驗材料直接定量注射入反應(yīng)溶液中。一定時間內(nèi)微小壓強計的刻度變化可以反映氧氣的產(chǎn)生量。

2 多種材料中過氧化氫酶活性的測定

學生利用“微小壓強計”氧氣含量測定裝置測定了蘋果、梨、香蕉、紅薯、胡蘿卜、馬鈴薯中的過氧化氫酶活性。實驗方法如下：首先利用水果模具，獲取厚度為2 mm的相同數(shù)量和形狀的實驗材料，用天平稱量材料的重量，利用“微小壓強計”氧氣含量測定裝置，測定各種植物材料與體積濃度為3%的過氧化氫溶液反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣含量，每種材料重復(fù)3次實驗，計算出每克材料10 min內(nèi)引起的“微小壓強計”刻度的變化的平均值。實驗結(jié)果顯示紅薯中過氧化氫酶活性較高，適合用于替換肝臟研磨液以探究過氧化氫酶活性的影響因素。實驗結(jié)果如圖2所示。

3 pH對過氧化氫酶活性的影響

以紅薯為材料，教師提供了多種可選擇的實驗用具，引導(dǎo)學生自主探究pH對紅薯的過氧化氫酶活性的影響。實驗方案如下：首先配制pH為3-8的磷酸氫二鈉一檸檬酸緩沖溶液，與適量過氧化氫溶液混合，配制成pH分別為3、4、5、6、7、8且體積濃度為3%的過氧化氫溶液。與水果磨具制取的紅薯塊反應(yīng)，利用微小壓強計氧氣含量測定裝置，測定10 min內(nèi)氧氣的產(chǎn)生量，實驗結(jié)果如圖3所示。

實驗結(jié)果表明，紅薯過氧化氫酶的最適pH在6-8之間。在此實驗的基礎(chǔ)上，學生在pH6-8之間設(shè)置以0.2為梯度的pH條件，探究其對紅薯過氧化氫酶活性的影響。實驗結(jié)果表明，紅薯過氧化氫酶的最適pH為7.4左右（圖4）。

4 溫度對過氧化氫酶活性的影響

由于高溫會促進過氧化氫的分解，在特定溫度下，難以說明過氧化氫的分解是酶的催化作用，還是溫度的影響。因此在教學中，大多教師認為不能用過氧化氫酶探究溫度對酶活性的影響。但是，過氧化氫酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，其活性必然受到溫度的影響，因此如何巧妙而科學地設(shè)計實驗，評價溫度對過氧化氫酶活性的影響，極大地引發(fā)了學生的探究興趣。在教師的引導(dǎo)下，學生設(shè)計出創(chuàng)新的探究方案，并開展了實驗。探究過程如下：

提出問題：如何科學地探究溫度對紅薯過氧化氫酶活性的影響？

實驗思路：在特定溫度下，用氧氣生成總量減去溫度導(dǎo)致的氧氣生成量，即為酶催化的氧氣生成量，據(jù)此即可測定溫度對過氧化氫酶活性的影響。

實驗方案：實驗分為兩組。第一組在不同溫度下，加入定量過氧化氫酶，測定氧氣產(chǎn)生量;第二組是在第一組的對應(yīng)溫度下設(shè)置不加酶的空白對照，測定不同溫度下過氧化氫自分解產(chǎn)生的氧氣量。比較加酶的實驗組和空白對照組之間的差值即可以反映溫度對過氧化氫酶活性的影響。

實驗的實施：學生通過查閱文獻，發(fā)現(xiàn)在60℃以內(nèi)過氧化氫的分解較慢，據(jù)此，將實驗探究溫度設(shè)置范圍為0-60℃，用水浴鍋設(shè)置溫度30-60℃，冰水混合物設(shè)置0℃。將體積分數(shù)3%的過氧化氫溶液放在各溫度的水溶鍋中5 min，利用微小壓強計氧氣測定裝置，測定加紅薯片和不加紅薯片的兩組實驗中過氧化氫分解導(dǎo)致的刻度變化值。實驗結(jié)果顯示，在40℃前，紅薯過氧化氫酶活性隨溫度的上升而升高;但由于微小壓強計中氣體體積易受溫度的影響，溫度達40℃后，氣體體積的變化超出了微小壓強計的測定范圍。因此，使用微小壓強計裝置，難以反映出高溫對紅薯過氧化氫酶活性的影響。從趨勢上來看，紅薯過氧化氫酶活性受到溫度的影響。通過談?wù)摵徒涣鳎瑢W生將該裝置中的微小壓強計更換為“氧氣傳感器”，測定溫度對紅薯的過氧化氫酶活性的影響，實驗結(jié)果見表1。

最后，學生交流并得出結(jié)論：實驗結(jié)果表明，紅薯的過氧化氫酶的活性受到溫度的影響，紅薯的過氧化氫酶的活性最適溫度在45℃-50℃之間。

5 教學反思

5.1 實驗裝置和實驗材料

微小壓強計是物理實驗室常用的實驗用具，也是易購買且成本較低的裝置。利用微小壓強計氧氣含量測定裝置進行的創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)了學生的跨學科實踐能力，也實現(xiàn)了規(guī)范、低成本的實驗教學要求，實現(xiàn)了實驗教學中關(guān)于定性和定量實驗的要求，能夠幫助學生在量的變化中認識到過氧化氫酶的作用及特點，符合《課程標準》中的實驗教學建議。

5.2 探究能力和科學思維

本實驗教學重視提升學生探究能力，重視學生的自主探究和科研體驗，訓練了學生篩選、處理和評價實驗材料的能力。學生通過小組合作創(chuàng)新實驗設(shè)計、修正、完善實驗方案，科學記錄和處理實驗數(shù)據(jù)，將常規(guī)的定性實驗轉(zhuǎn)化為定量實驗。對實驗結(jié)果的交流討論有利于學生主動建構(gòu)重要概念“絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)，酶的活性受到環(huán)境因素（如pH和溫度等）的影響”。整個實驗教學過程完整地體現(xiàn)了科學探究能力的訓練，開發(fā)了學生的科學思維。

5.3 質(zhì)疑精神和創(chuàng)新能力

本實驗教學中，教師通過引導(dǎo)學生認同“作為化學本質(zhì)為蛋白質(zhì)的過氧化氫酶，其活性必然受到溫度的影響”這一觀點，引起學生質(zhì)疑和探究的興趣。學生通過小組交流討論，創(chuàng)新地提出實驗思路和實驗方案，并在實驗過程中，不斷地修正、完善實驗方案，最終證明了利用過氧化氫酶探究溫度對酶活性的影響是可行的，并科學地評價了不同溫度對過氧化氫酶活性的影響。學生在此過程中親身體驗科學探究的開拓、修正和發(fā)展過程，也體現(xiàn)出自身所蘊含的巨大創(chuàng)新潛力。

參考文獻：

中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.