基于壓強傳感器驗證酶高效性新方法的研究

王志坤

[摘 要]通過壓強傳感器驗證酶高效性的實驗，學生學會利用現(xiàn)代電子設(shè)備開展生物實驗，并能針對實驗中出現(xiàn)的問題進行分析、解釋和處理，把定性的現(xiàn)象變成理性的數(shù)據(jù)結(jié)果，把定性問題數(shù)字化和定量化，進而提升實驗效果。

[關(guān)鍵詞]壓強傳感器；酶；高效性；新方法

[中圖分類號] G633.91[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-6058（2018）11-0080-02

“驗證酶的高效性”實驗是高中生物有關(guān)酶特性的重點和難點內(nèi)容，也是歷年高考的熱點。該實驗要求學生能根據(jù)實驗?zāi)康淖孕性O(shè)計實驗、提出實驗思路，并能對實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果進行分析、解釋和處理。雖然教材和實驗手冊中給出了可供參考的實驗材料、實驗用具和實驗方法，如“用過氧化氫酶和二氧化錳分別催化質(zhì)量分數(shù)為2%的過氧化氫溶液”“用點燃后無明火的衛(wèi)生香放在試管口處，觀察衛(wèi)生香復(fù)燃的情況”，但是該實驗的實驗現(xiàn)象只能證明過氧化氫酶的催化活性比無機催化劑二氧化錳的催化活性高，卻很容易讓學生錯誤地認為過氧化氫酶會使氧氣的產(chǎn)量增加，這不利于學生后期對“酶只是提高化學反應(yīng)速率而不改變化學反應(yīng)平衡”的學習。因此，傳統(tǒng)的實驗效果雖然明顯，卻很難達到預(yù)期的學習目標。

隨著高中數(shù)字化實驗室建設(shè)進程的不斷加快，各種傳感器及數(shù)字軟件在實驗教學中的運用越來越普遍。壓強傳感器是測量壓強的儀器，操作簡單、靈敏度高、數(shù)字顯示直觀清晰，可以實時測量實驗裝置內(nèi)的壓強變化，并呈現(xiàn)曲線模型，實驗效果好，能達到預(yù)期目標。壓強傳感器驗證酶高效性實驗，符合新課標的要求，可以使學生深刻體會現(xiàn)代電子設(shè)備在生物實驗中的精確性和實用性，培養(yǎng)學生科學探究、理性思維等生物學核心素養(yǎng)。

一、實驗原理

過氧化氫酶和二氧化錳都能催化過氧化氫分解，產(chǎn)生水和氧氣，分解速率越大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的氧氣越多，密閉實驗裝置內(nèi)氧氣濃度越高，壓強就越大，因此利用高靈敏度壓強傳感器能實時測量裝置內(nèi)的壓強變化，通過傳輸線把數(shù)據(jù)傳給電腦，然后在電腦上呈現(xiàn)出壓強變化的實時曲線，反映出化學反應(yīng)速率的大小。

二、實驗操作

1.材料和用具：過氧化氫酶、二氧化錳、質(zhì)量分數(shù)為2%的過氧化氫溶液、三角瓶、橡膠塞、石蠟、凡士林、壓強傳感器、電腦等。

2.實驗裝置組裝方法：如圖1，將橡膠塞打孔，使壓強傳感器的通氣導管穿過孔洞，壓強傳感器與電腦相連，并用石蠟密封橡膠塞孔，塞緊橡膠塞。為增強氣密性可在橡膠塞周圍涂抹凡士林。

3.實驗步驟

（1）準備：將全班學生分為10組，每組4人，各組成員分工合作，各司其職。

（2）步驟：①設(shè)置電腦壓強傳感器指標和參數(shù)，打開“開始”按鍵，記錄壓強變化。②取2個大小相同的三角瓶，1號三角瓶中加入3mL、質(zhì)量分數(shù)為2%的過氧化氫溶液，放入少許二氧化錳，用橡皮塞蓋緊；2號三角瓶加入3mL、質(zhì)量分數(shù)為2%的過氧化氫溶液，放入幾滴過氧化氫酶，用橡皮塞蓋緊。③將2個三角瓶放在相同溫度下，反應(yīng)相同的時間。

三、實驗結(jié)果和分析

實驗進行的過程中，電腦屏幕上會呈現(xiàn)出壓強實時變化數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)所匯總出來的動態(tài)曲線圖形。通過對圖形和數(shù)字的觀察，學生看出：過氧化氫酶的催化活性明顯比二氧化錳的高，也就不難得出“酶的催化活性極高”的結(jié)論。但這時思維活躍的學生就會提出新的問題，如：為什么過氧化氫酶催化的反應(yīng)后期壓強會保持不變？如果時間延續(xù)下去，兩條線是否重合？如果當時加的過氧化氫量不是3mL而是5mL，或濃度不是2%而是5%，曲線又會是何種形態(tài)？反應(yīng)裝置中三角瓶的大小對實驗結(jié)果是否有影響？能否用氧氣傳感器代替壓強傳感器直接測量反應(yīng)產(chǎn)物的濃度？……學生提出的問題比較多，立足學生的問題將實驗拓展開來，讓學生主動去探索，這樣能充分調(diào)動學生的實驗積極性，促進學生成立研究小組對實驗進行更深層次的探索。

四、實驗效果與要求

利用壓強傳感器驗證酶的高效性，對儀器的要求不高，只需要有壓強傳感器和電腦就可以了，而且儀器價格便宜，較易獲得，操作簡單易行，實驗觀測指標清晰，學生很容易獲得視覺上的沖擊，在實驗中體驗成功的喜悅。而且變定性實驗為定量研究，動態(tài)變化的整個過程可測，這就要求學生要精確操作，有利于學生養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，有利于學生對實驗結(jié)果的分析和拓展，為深入驗證“酶作為有機催化劑只是改變了反應(yīng)速率，沒有改變反應(yīng)平衡”的特性提供證據(jù)。

實驗過程中要求學生操作迅速，組內(nèi)成員間配合要默契；反應(yīng)裝置的密閉性要好，漏氣會對實驗造成較大影響。

五、實驗反思

整個實驗的設(shè)計都是為了讓學生積極地參與并進行思考，實驗的操作也多了很多生成性素材。學生的積極性一旦被調(diào)動起來，他們的熱情和想法之多甚至會出乎我們的意料，這樣就會影響課堂教學任務(wù)的完成，需要教師有較高的課堂駕馭能力。其實，學生對于知識的渴求是無限大的，激發(fā)學生的學習欲望比簡單的灌輸要好得多。因此，讓現(xiàn)代化科技等多元素走入課堂是教學發(fā)展的一個有利方向。

數(shù)字化實驗在教學中的使用還是一個新生事物，還存在一個發(fā)展壯大的過程，它作為傳統(tǒng)實驗的有益補充，會被越來越多的人所接受，而且，實驗手段的數(shù)字化和高科技化是整個實驗領(lǐng)域的發(fā)展方向，數(shù)字化實驗是符合這一趨勢的，必能帶來生物實驗的新變革，也能帶動生物教學的新變革。

[ 參 考 文 獻 ]

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[3]許高波.基于科學探究的化學反應(yīng)速率教學實踐[J].數(shù)理化解題研究，2016（21）：68.

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（責任編輯 黃春香）