探究ph对过氧化氢酶活性影响的实验设计改进

探究ph对过氧化氢酶活性影响的实验设计改进

“ph对酶活性的影响”是人类教育版高中生物教材中的一个重要的探索实验。本实验有助于学生更好地理解“酶的作用和本质”等知识，并学习“影响光合作用和呼吸的因素”的基础。在实验探究过程中，能促进学生掌握生物学科实验的基本思路和方法，提高动手实践能力。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称“课程标准”）提出，实验教学是促成学生达成生物学科核心素养的重要支撑，要求教师在教学中注重实验设计的多样化，例如，采用规范实验器材，利用低成本、低消耗等实验材料鼓励学生参与实验设计；在注重定性实验的同时，注重定量实验的教学，提高学生定量表述实验结果的能力。因此，从课程标准对实验教学的要求分析，目前教材对该实验的设计有以下不足：1）教材选用的实验装置较为简易，实验材料动物肝脏易变质，影响实验结果的科学性；2）教材的实验设计以定性实验为主，忽略了学生在量变中了解事物本质的生物学思想的培养。针对这2个问题，笔者鼓励学生大胆创新，对教材实验进行了部分改进。1实验改进1.1肝脏方面的过氧化氢酶过氧化氢酶催化过氧化氢分解成氧和水，存在于所有已知动物的各个组织中，特别在肝脏中以高浓度存在。研究表明，置于空气中易变色的植物组织含有较丰富的过氧化氢酶；植物在逆境下或衰老时，由于体内活性氧代谢加强而使过氧化氢发生累积，而过氧化氢酶可清除过氧化氢，是植物体内重要的酶促防御系统之一1.2实验结果需现配现用在常温下，教材采用的猪肝研磨液中过氧化氢酶的寿命较短，实验时需现配现用；此外，若选取的研磨液不新鲜，过氧化氢酶等有机物会被细菌分解，使过氧化氢酶的活性降低，导致实验失败。因此，在实际操作中，该实验材料的制备和保存具有一定的难度1.3氢氧氢氧时酶活性的观察教材中采用试管和烧杯等简易实验装置，利用点燃卫生香、观察气泡等方法判断过氧化氢酶的活性，观察结果缺乏客观性，无法定量。教师展示文献资料：在保持反应器体积不变的情况下，可设计实验通过测量反应过程中气体压强的变化反映过氧化氢的反应速率，这种实验装置便于操作，灵敏度更高，准确度较好2优化实验设计2.1优化植物叶片过氧化氢酶活性的研究依据课程标准对生物实验教学的要求，教师鼓励学生大胆质疑教材实验，并引导学生选取马铃薯、香蕉和胡萝卜等作为实验材料，利用U型气压计进行自主实验改进。设计2个探究性实验：探究1：探究不同植物中过氧化氢酶的活性（两两比较进行对照实验，定性观察）；探究2：不同pH对不同植物材料中过氧化氢酶活性的影响（由定性观察上升至定量实验）。这2个探究性实验能启发学生留心观察生活，利用生活中的材料探讨生物学问题，提高批判性思维和创新思维能力的同时，帮助学生掌握科学探究的基本思路，进一步培养学生从实践层面解决生活问题的意愿和社会责任感。2.2酸溶液和酸液U型气压计，pH计，电脑，秒表，U型试管，锥形瓶，注射器，橡胶管，橡胶塞，玻璃管，止水夹，铁架台，研钵，过氧化氢溶液（3%），盐酸，NaOH溶液，酸性（pH=6）、中性（pH=7）及碱性（pH=8）的缓冲液，新鲜猪肝，马铃薯，香蕉，胡萝卜，红墨水等。3合作研究和实验3.1实验装置的气密性检查在实验开展之前，根据探究性实验的设计原则，引导学生思考以下问题：1）本实验的自变量是什么？2）如何排除无关变量对实验结果的影响？3）如何检查实验装置的气密性？经小组讨论后，学生提出：1）本实验的自变量是实验材料的差异；2）为了排除无关变量的影响，实验时可用打孔器将植物材料打出均匀的长条并截取相同长度进行研磨，在研磨过程中加入等体积的蒸馏水，注射器中要装入等体积等浓度的过氧化氢溶液等（图1);3）根据化学知识，可通过以下方法检查装置气密性：利用其中一个注射器向空的装置内注射一定量的空气，一段时间后，液面保持不变，说明气密性良好，可进行实验。3.1.2植物组织研磨液在U型管（图2）内装适量红墨水，两侧各连接一个相同的锥形瓶，各装有20mL不同植物组织的研磨液，例如马铃薯和香蕉研磨液。锥形瓶上方各连接一个相同的注射器，内装有2mL3%的过氧化氢溶液。实验开始后，将注射器中的过氧化氢溶液同时注射到锥形瓶中，轻轻摇匀，一段时间后观察液面的高度差，由此可确定哪种材料中过氧化氢酶的活性较高。3.1.3数据分析通过U型管装置，学生比较得出不同植物组织中过氧化氢酶的活性，依次为：肝脏>马铃薯>香蕉>胡萝卜（图3）。3.22：不同ph值对不同植物的过氧化氢酶活性的影响3.2.1植物组织研磨液的制备根据U型气压计装置的特点，引导学生思考以下问题：1)U型管的粗细与实验数据精确性的关系？2）注入一定体积的过氧化氢溶液时，会对气体体积的测量造成影响，应怎样消除该影响？3）酶具有高效性，为防止反应过于剧烈，水从气压计管道中冲出，应将植物组织研磨液进行怎样的处理？经小组讨论后，学生提出：1）在一定范围内，U管越细，所得数据越精确；2）为了消除过氧化氢溶液对气体体积测量的影响，可在U型气压计和锥形瓶之间连接一个Y型玻璃管，并增加一个止水夹；3）将植物的组织液进行稀释可防止反应过于剧烈。3.2.2过氧化氢分解活性实验开始前采用同样的方法检查装置气密性，之后在锥形瓶中注入某种pH值的缓冲液10mL和稀释浓度为10%的植物组织研磨液10mL。实验开始时先打开止水夹，利用注射器注入浓度为3%的1mL过氧化氢溶液，迅速关闭止水夹（图4），记录10s后气压计的读数，即过氧化氢分解产生的氧气的体积。根据探究性实验的平行重复原则，多次测量取平均值，依次测定其他pH值条件下氧气的体积。3.2.3科学分析的结果进一步指导学生利用pH计，缩小pH值梯度，依次测定氧气的体积。然后引导学生利用统计学的方法对实验数据进行科学分析，根据实验结果绘制的曲线图可知，马铃薯最适pH值约为6.4，胡萝卜、香蕉的最适pH值分别为6.9和8.0（图5）。4教学实验改进者设计本节课的实验教学采用自主探究、合作学习的教学策略，结合学生的生活经验，以批判性思维和创新性思维为指导，在注重生物学与其他学科内容衔接的基础上，引导学生对教材实验进行改进。在该教学过程中，实验活动的设计以探究能力的培养为主线，符合学生的知识基础和认知规律，能帮助学生有效掌握知识的同时，帮助学生运用科学思维探讨生产、生活中的实际问题，体验学习的乐趣，实现课程目标达成与生