張 云林 凡
(1福建教育學院理科研修部 福建福州 350001 2福建中醫(yī)藥大學中西醫(yī)結(jié)合學院 福建福州 350122)
“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是人教版《生物·必修1》“分子與細胞”中的探究實驗。該版教材沿用了傳統(tǒng)的設計思路,以各反應體系中氣泡產(chǎn)生數(shù)量、點燃衛(wèi)生香燃燒程度,比較H2O2分別在室溫、90℃、滴加2滴3.5%FeCl3溶液,以及滴加20%肝臟研磨液條件下的分解速度[1]。在教學實踐中,有教師提出以下2點質(zhì)疑。
①用帶火星的衛(wèi)生香檢測90℃反應體系中生成的氣體,衛(wèi)生香不復燃,也不發(fā)亮,且蒸餾水在加熱過程中,容器底部及壁上也能觀察到大小不一的氣泡。因此有教師認為:90℃反應體系中觀察到的氣泡不是O2氣泡,而是水氣泡[2]。
②在滴加FeCl3溶液的反應體系中,觀察到的是細小的單氣泡,氣泡數(shù)量多,且以線形排列的方式出現(xiàn)在溶液中,而滴加肝臟研磨液的反應體系中,則在液面上方形成體積較大的群聚泡沫。不同反應體系生成的氣泡大小、狀態(tài)并不相同,以相同時間內(nèi)氣泡產(chǎn)生數(shù)量,作為判斷O2生成速率快慢的依據(jù)是否合適?
目前,我國多省市已將數(shù)字化探究實驗系統(tǒng)列為普通高中教育裝備標準之一。該設備操作簡便,能迅速檢測O2濃度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,使得中學階段對氧濃度的準確測定成為可能。本文擬借助此系統(tǒng)對上述質(zhì)疑進行釋疑,并以此為基礎,對原實驗方案提出優(yōu)化建議。
2.1 材料 新鮮的質(zhì)量分數(shù)為20%豬肝研磨液、新鮮的質(zhì)量分數(shù)為20%土豆研磨液。
2.2 用具 計算機、數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室軟件(山東遠大朗威教育科技股份有限公司)、傳感器連接線、USB連接線、250 mL錐形瓶、硅膠O型圈、恒溫水浴鍋、電子天平、移液器及移液器吸頭。
2.3 試劑 3%H2O2、0.1 mol/L FeCl3、0.1 mol/L過氧化氫酶(3 500 U/mg)。
3.1 蒸餾水與3%H2O2溶液中氣泡的生成 取4支潔凈的試管編號(表1),分別加入蒸餾水及3%H2O2溶液,再分別置于90℃水浴與室溫25℃環(huán)境中,5 min后觀察試管中氣泡的生成情況。
表1 蒸餾水與3%H2O2溶液中氣泡的生成
3.2 H2O2在不同條件下的分解 取錐形瓶若干,編好序號(表2),依次設置反應體系(反應溫度設定為25℃),用傳感器連接線、USB連接線連接好氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器及計算機,設置每間隔1 min自動采集數(shù)據(jù)。加入催化劑、研磨液(或蒸餾水),迅速將氧氣傳感器接于錐形瓶瓶口,并用硅膠O型圈將瓶口密封,采集數(shù)據(jù)。實驗重復3次。
表2 H2O2在不同條件下的分解
3.3 氧濃度變化曲線的制作 以表2序號1的反應體系為對照,取3次實驗平均值,用Excel軟件作不同條件下氧濃度的變化曲線。
4.1 蒸餾水與3%H2O2溶液中氣泡的生成 表1中的1號、2號試管沒有觀測到明顯氣泡,表明在25℃條件下,1號、2號反應體系中的物質(zhì)沒有發(fā)生明顯的物化變化;3號試管為90℃水浴中的蒸餾水,管壁上有氣泡附著(圖1a),與蒸餾水中溶解有部分空氣、且水浴過程中部分水分子形成水蒸氣有關。由此推斷,4號試管(圖1b)中附著于管壁上的氣泡也一定含有空氣或水蒸氣成分。但仔細觀察發(fā)現(xiàn),4號試管底部另有一串體積更為細小的氣泡生成,顯然這才是H2O2在90℃水浴條件下分解生成的O2。為了便于觀察,通常觀察者會將4號試管脫離水浴環(huán)境,導致反應體系溫度降低,而H2O2只有在較高的溫度下才會有比較明顯的分解[3],因此串珠狀的O2氣泡的生成會在較短的時間內(nèi)變緩甚至消失,而容易造成沒有O2生成的錯覺??梢?,認為90℃反應體系中觀察到的氣泡不是O2氣泡,是由于僅觀察到了附著于管壁的氣泡而做出的錯誤判斷。
圖1 90℃水浴中的H2O2與蒸餾水生成的氣泡
4.2 H2O2在不同條件下的分解 如圖 2,3%H2O2溶液加入含有過氧化氫酶的生物組織研磨液(2、5號)或純酶液(3號)后,各錐形瓶中液面上均有明顯的群聚泡沫生成,而加入FeCl3的4號錐形瓶液面上僅出現(xiàn)少量聚集氣泡,同時4只錐形瓶溶液中均可見不斷生成的細小氣泡,這些現(xiàn)象顯然與上述反應體系中的H2O2分解生成了O2有關。從泡沫生成多寡來看,反應10 min時,5號(豬肝研磨液)生成的最多,3號(0.1 mol/L 過氧化氫酶)、2號(土豆研磨液)次之,最少的則是 4號(0.1 mol/L FeCl3)。 但以氧氣傳感器收集的數(shù)據(jù)分析,此時錐形瓶中氧氣濃度最高的并非5號(豬肝研磨液,平均 O2濃度為 27.8%),而是 4號(FeCl3,平均O2濃度為 29.6%),且泡沫量次之的3號(0.1 mol/L 過氧化氫酶)平均 O2溶度(28.6%),也高于泡沫量最多的5號(豬肝研磨液)。有報道表明,蛋白質(zhì)是一種助泡物,其吸水后能形成水凝膠性質(zhì)的表面膜,有助于溶液中泡沫的生成與穩(wěn)定[4]。上述各實驗組反應體系中的蛋白質(zhì)組分不同,對泡沫現(xiàn)象的影響不可忽視,即反應體系中O2生成量并非決定泡沫量的唯一因素。因此,相同時間內(nèi)反應體系中可見泡沫的多寡不足以說明體系中O2生成速率的快慢。
圖2 H2O2在不同條件下的分解(反應10 min)
此外,在教學實踐中,由于溶液內(nèi)部生成的氣泡處于上升狀態(tài),導致觀察者無法從數(shù)量上對其作出準確判斷,因此會僅以液面上方已經(jīng)形成的泡沫量為觀察指標,而略去了對上升氣泡的數(shù)量統(tǒng)計。但從圖3可見,在反應開始的60 min內(nèi),生成的泡沫量并不同的3、4、5號錐形瓶,O2濃度變化曲線卻基本吻合,可見上升氣泡所攜帶的O2量也是不容忽視的關鍵因素。因此,在H2O2分解過程中,試圖通過視覺觀察而對O2生成量的多寡做出大致判斷是無法實現(xiàn)的,以“氣泡產(chǎn)生數(shù)量”為本實驗觀測比較的指標,科學性不夠充分。
圖3 不同條件下氧濃度變化曲線
此外,原實驗設計中另一個觀測指標“點燃衛(wèi)生香的燃燒程度”,易受衛(wèi)生香干燥程度、反應溫度、肝臟研磨液新鮮程度等因素的影響[5],加之反應體系中有H2O生成,引起反應體系上層空間濕度增加,點燃的衛(wèi)生香通常并不容易燃燒[6]??梢?,此指標受無關變量影響的可控性較差,實驗現(xiàn)象不穩(wěn)定。因此,以傳統(tǒng)實驗思路進行的“比較過氧化氫在不同條件下的分解”,實驗設計存在缺陷,無法很好地幫助學生達成對相關概念的生成與理解。
2018年教育部頒布了 《普通高中生物學課程標準(2017年版)》,新課程標準在“加強和完善生物學實驗教學”的實施建議中明確指出:教師應注意實驗設計多樣化;在重視定性實驗的同時,也要重視定量實驗,讓學生在量的變化中了解事物的本質(zhì)[7]。已有研究表明,在中學生物學教學中設計一些定量實驗,不僅可幫助學生樹立“量化”意識,學會用數(shù)據(jù)表達實驗結(jié)果的科學方法和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度,還可探尋各因素之間的量化關系,進行邏輯思維的訓練[8]。同時,伴隨著數(shù)字化探究實驗系統(tǒng)在基礎教育領域的推廣與運用,使得在高中階段以定量實驗的思路優(yōu)化該實驗成為可能。
綜上分析,建議在教學實踐中,結(jié)合數(shù)字化探究實驗系統(tǒng)實施“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗。表3是筆者提出的實驗方案,以供參考。
表3 “比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗方案