驗證酶高效性實驗的可視化改進

陳兆亮 康珍 金瑛 張英鋒

摘?要：從教材傳統(tǒng)實驗可視性化的不足出發(fā)，通過引導學生設計、使用微距鏡頭、連通注射器、實施從“定性”到“定量”實驗的操作，不但能讓學生學會科學探究的一般方法，也能從實驗數(shù)據(jù)的分析中培養(yǎng)學生的理性思維，并從實驗現(xiàn)象的觀察中體會到生物核心素養(yǎng)下的“結構與功能的適應觀”.

關鍵詞：半定量;定量;可視化

1?問題的提出

酶的高效性實驗首先出現(xiàn)在高中生物人教版必修一《分子與細胞》第五章第一節(jié)內容之中，是升入高中后學生接觸到的第一個開放性實驗，教材中利用試管進行物質反應，學生通過觀察氧氣氣泡的產生速率及衛(wèi)生香的復燃程度來感受酶的高效性，對實驗現(xiàn)象的觀察還僅僅停留在感性認知水平，主觀性較強，對于高中生物學核心素養(yǎng)——“理性思維”的培養(yǎng)，還不能很好的落實，由此，為更好的觀察氣泡的產生過程、狀態(tài)及速率，開展了實驗的可視化改進，設計并開展了相關的半定量和定量實驗.

2?探究方案

2.1?實驗原理

酶具有高效性，其催化活性遠大于無機催化劑，據(jù)資料可知，酶的催化效率是無機催化劑的107～1013倍.兩者均可以催化H2O2分解為H2O和O2，產生的O2會形成氣泡，根據(jù)相同時間內氣泡產生的速率或者等量的H2O2完全分解所需要的時間即可估算比較兩者的催化效率.

2.2?實驗器材

5%過氧化氫溶液、3.5%氯化鐵溶液、新鮮的20%豬肝研磨液、手機或平板電腦（需要帶有前置攝像頭）、微距鏡頭、透明塑料尺、厚書本、50μL注射器、10mL注射器.

2.3?實驗探究步驟

2.3.1?可視化定性實驗

（1）用50μL注射器在塑料尺上滴一滴30μL的過氧化氫溶液.

（2）開始錄像，用50μL注射器在塑料尺上滴一滴30μL三氯化鐵液滴，使其與過氧化氫液滴融合，發(fā)生反應.

（3）待反應結束，停止錄像，擦干凈塑料尺.

（4）將三氯化鐵溶液換成豬肝研磨液，重復步驟（1）～（3）.

2.3.2?可視化半定量實驗

每滴3.5%三氯化鐵溶液中含F(xiàn)e3+的濃度約為20%豬肝研磨液中含過氧化氫酶濃度的25萬倍.將20%豬肝研磨液每次稀釋4倍后與過氧化氫溶液反應.隨著豬肝研磨液濃度的降低，過氧化氫分解速率減緩，直到與3.5%三氯化鐵催化過氧化氫時的現(xiàn)象相似（氣泡生成速率相似），則可認定該濃度的豬肝研磨液與3.5%三氯化鐵催化效率相似.比較此時過氧化氫酶與Fe3+濃度差即可估測過氧化氫酶比鐵離子催化效率高出的倍數(shù).

2.3.3?可視化定量實驗

采用連通注射器（如圖1所示）分別注入1mL H2O2和1mL 3.5%FeCl3，然后混勻，并計時2min，然后，算出在此時間段內放出的氣體量.同樣的另外一組裝置進行20%肝臟研磨液稀釋128倍后的操作，統(tǒng)計氣體量如圖2所示.

3?實驗結果及實驗效果評價

雖然底物和催化劑的試劑用量僅為30μL，反應的空間尺度很小，但經(jīng)過可視化改進，細節(jié)被放大，可清晰地呈現(xiàn).FeCl3催化下的過氧化氫溶液分解緩慢，氣泡緩慢地生成、破裂，約7分鐘后反應才基本停止.豬肝研磨液（過氧化氫酶）催化下的過氧化氫溶液劇烈分解，氣泡迅速生成，融合后的液滴迅速膨脹至原本的3倍大小，約70s后反應基本停止.這個過程在視頻回看（尤其是慢速播放）時，非常生動、細膩，令人印象深刻.

通過半定量實驗和定量實驗可知，20%肝臟研磨液稀釋128倍后，其催化效率與3.5%FeCl3的催化效率相當，結合每滴3.5%三氯化鐵溶液中含F(xiàn)e3 +的濃度約為20%豬肝研磨液中含過氧化氫酶濃度的25萬倍.推算出20%豬肝研磨液中含過氧化氫酶的催化效率是3.5%三氯化鐵的3.2×107倍，進一步驗證了酶具有高效性的理論知識.

教師引導學生通過可視化的改進，激發(fā)了學生的探究欲望，并逐步實現(xiàn)了半定量和定量實驗的開展，在實驗數(shù)據(jù)的分析過程中闡明了生命現(xiàn)象，明確了結構與功能的適應觀，培養(yǎng)了理性思維，并在實驗裝置的可視化改造進程中，明確了生物科學發(fā)展與科學技術創(chuàng)新的關系，讓學生懂得了生物學科對于社會發(fā)展的推動作用.

此外，對于半定量和定量實驗，基于有條件的學?？梢赃M一步開展數(shù)字化實驗平臺軟件的運用，以此增強實驗過程、實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的直觀性、可視性、準確性.

（收稿日期：2020-01-02）