淺議在“過氧化氫酶活性實(shí)驗(yàn)”中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新探究能力

李萬(wàn)瑞 陳加敏

摘要 利用“微小壓強(qiáng)計(jì)”設(shè)計(jì)了氧氣含量測(cè)定裝置，通過該裝置，定性和定量地測(cè)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(cè)定了pH和溫度對(duì)過氧化酶活性的影響。實(shí)驗(yàn)的開展提升了學(xué)生的科學(xué)探究能力，發(fā)展了學(xué)生的高級(jí)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(hào)G633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中提出：為了幫助學(xué)生達(dá)成“細(xì)胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)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(shí)驗(yàn)。在《課程標(biāo)準(zhǔn)》探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施建議中提到：在探究活動(dòng)中，鼓勵(lì)學(xué)生自己觀察、思考、提問，并在提出假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行探究活動(dòng)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施;鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)材料的創(chuàng)新，在重視定性試驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)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(shí)驗(yàn)材料。但基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求和建議，教材提供的探究實(shí)驗(yàn)有以下值得思考的問題：①豬肝研磨液具有氣味，實(shí)際教學(xué)中常引起部分學(xué)生不適，也不易保存。能否尋找到更簡(jiǎn)單易行的材料？②能否在定性的基礎(chǔ)上，定量地檢測(cè)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(rèn)為不能探究溫度對(duì)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(jì)出實(shí)驗(yàn)，探究溫度對(duì)該酶的影響？針對(duì)這三個(gè)問題，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生利用物理實(shí)驗(yàn)中常用的“微小壓強(qiáng)計(jì)”，設(shè)計(jì)出“微小壓強(qiáng)計(jì)”氧氣含量測(cè)定裝置。學(xué)生利用該裝置，在直觀定性觀察的基礎(chǔ)上，定量檢測(cè)了多種生物材料中的過氧化氫酶活性，自主測(cè)定了pH對(duì)紅薯過氧化氫酶活性的影響;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，探究了溫度對(duì)過氧化氫酶活性的影響。該實(shí)驗(yàn)展科學(xué)地測(cè)定了過氧化氫酶的活性，有利于加深學(xué)生對(duì)酶特點(diǎn)的理解，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力、質(zhì)疑精神、高級(jí)思維和創(chuàng)新能力。

1 微小壓強(qiáng)計(jì)氧氣測(cè)定裝置的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)用具：利用錐形瓶、棉線，鐵鉤、試管、橡膠管、橡皮塞、微小壓強(qiáng)計(jì)、滴管、鐵架臺(tái)、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(shí)驗(yàn)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(tái)上的微小壓強(qiáng)計(jì)，并在裝置的所有連接處涂上凡士林進(jìn)行密封。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)操作程序：先用棉線吊著鐵絲，鐵絲上掛有固體實(shí)驗(yàn)材料，目的是防止實(shí)驗(yàn)材料中的過氧化氫酶在測(cè)定前與過氧化氫溶液接觸。然后，用手按壓鐵絲，使實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料直接定量注射入反應(yīng)溶液中。一定時(shí)間內(nèi)微小壓強(qiáng)計(jì)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(cè)定

學(xué)生利用“微小壓強(qiáng)計(jì)”氧氣含量測(cè)定裝置測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料，用天平稱量材料的重量，利用“微小壓強(qiáng)計(jì)”氧氣含量測(cè)定裝置，測(cè)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(shí)驗(yàn)，計(jì)算出每克材料10 min內(nèi)引起的“微小壓強(qiáng)計(jì)”刻度的變化的平均值。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

3 pH對(duì)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(shí)驗(yàn)用具，引導(dǎo)學(xué)生自主探究pH對(duì)紅薯的過氧化氫酶活性的影響。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)計(jì)氧氣含量測(cè)定裝置，測(cè)定10 min內(nèi)氧氣的產(chǎn)生量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紅薯過氧化氫酶的最適pH在6-8之間。在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生在pH6-8之間設(shè)置以0.2為梯度的pH條件，探究其對(duì)紅薯過氧化氫酶活性的影響。實(shí)驗(yàn)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(duì)過氧化氫酶活性的影響

由于高溫會(huì)促進(jìn)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(xué)中，大多教師認(rèn)為不能用過氧化氫酶探究溫度對(duì)酶活性的影響。但是，過氧化氫酶的化學(xué)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(xué)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)溫度對(duì)過氧化氫酶活性的影響，極大地引發(fā)了學(xué)生的探究興趣。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的探究方案，并開展了實(shí)驗(yàn)。探究過程如下：

提出問題：如何科學(xué)地探究溫度對(duì)紅薯過氧化氫酶活性的影響？

實(shí)驗(yàn)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(cè)定溫度對(duì)過氧化氫酶活性的影響。

實(shí)驗(yàn)方案：實(shí)驗(yàn)分為兩組。第一組在不同溫度下，加入定量過氧化氫酶，測(cè)定氧氣產(chǎn)生量;第二組是在第一組的對(duì)應(yīng)溫度下設(shè)置不加酶的空白對(duì)照，測(cè)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(shí)驗(yàn)組和空白對(duì)照組之間的差值即可以反映溫度對(duì)過氧化氫酶活性的影響。

實(shí)驗(yàn)的實(shí)施：學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在60℃以內(nèi)過氧化氫的分解較慢，據(jù)此，將實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?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(qiáng)計(jì)氧氣測(cè)定裝置，測(cè)定加紅薯片和不加紅薯片的兩組實(shí)驗(yàn)中過氧化氫分解導(dǎo)致的刻度變化值。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)計(jì)中氣體體積易受溫度的影響，溫度達(dá)40℃后，氣體體積的變化超出了微小壓強(qiáng)計(jì)的測(cè)定范圍。因此，使用微小壓強(qiáng)計(jì)裝置，難以反映出高溫對(duì)紅薯過氧化氫酶活性的影響。從趨勢(shì)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?，學(xué)生將該裝置中的微小壓強(qiáng)計(jì)更換為“氧氣傳感器”，測(cè)定溫度對(duì)紅薯的過氧化氫酶活性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

最后，學(xué)生交流并得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)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(xué)反思

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)材料

微小壓強(qiáng)計(jì)是物理實(shí)驗(yàn)室常用的實(shí)驗(yàn)用具，也是易購(gòu)買且成本較低的裝置。利用微小壓強(qiáng)計(jì)氧氣含量測(cè)定裝置進(jìn)行的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的跨學(xué)科實(shí)踐能力，也實(shí)現(xiàn)了規(guī)范、低成本的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中關(guān)于定性和定量實(shí)驗(yàn)的要求，能夠幫助學(xué)生在量的變化中認(rèn)識(shí)到過氧化氫酶的作用及特點(diǎn)，符合《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建議。

5.2 探究能力和科學(xué)思維

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)重視提升學(xué)生探究能力，重視學(xué)生的自主探究和科研體驗(yàn)，訓(xùn)練了學(xué)生篩選、處理和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)材料的能力。學(xué)生通過小組合作創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、修正、完善實(shí)驗(yàn)方案，科學(xué)記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將常規(guī)的定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的交流討論有利于學(xué)生主動(dòng)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(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程完整地體現(xiàn)了科學(xué)探究能力的訓(xùn)練，開發(fā)了學(xué)生的科學(xué)思維。

5.3 質(zhì)疑精神和創(chuàng)新能力

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同“作為化學(xué)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(diǎn)，引起學(xué)生質(zhì)疑和探究的興趣。學(xué)生通過小組交流討論，創(chuàng)新地提出實(shí)驗(yàn)思路和實(shí)驗(yàn)方案，并在實(shí)驗(yàn)過程中，不斷地修正、完善實(shí)驗(yàn)方案，最終證明了利用過氧化氫酶探究溫度對(duì)酶活性的影響是可行的，并科學(xué)地評(píng)價(jià)了不同溫度對(duì)過氧化氫酶活性的影響。學(xué)生在此過程中親身體驗(yàn)科學(xué)探究的開拓、修正和發(fā)展過程，也體現(xiàn)出自身所蘊(yùn)含的巨大創(chuàng)新潛力。

參考文獻(xiàn)：

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