陳兆亮 康珍 金瑛 張英鋒

摘?要：從教材傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可視性化的不足出發(fā)，通過引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)、使用微距鏡頭、連通注射器、實(shí)施從“定性”到“定量”實(shí)驗(yàn)的操作，不但能讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)探究的一般方法，也能從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，并從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察中體會(huì)到生物核心素養(yǎng)下的“結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)觀”.

關(guān)鍵詞：半定量;定量;可視化

1?問題的提出

酶的高效性實(shí)驗(yàn)首先出現(xiàn)在高中生物人教版必修一《分子與細(xì)胞》第五章第一節(jié)內(nèi)容之中，是升入高中后學(xué)生接觸到的第一個(gè)開放性實(shí)驗(yàn)，教材中利用試管進(jìn)行物質(zhì)反應(yīng)，學(xué)生通過觀察氧氣氣泡的產(chǎn)生速率及衛(wèi)生香的復(fù)燃程度來(lái)感受酶的高效性，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察還僅僅停留在感性認(rèn)知水平，主觀性較強(qiáng)，對(duì)于高中生物學(xué)核心素養(yǎng)——“理性思維”的培養(yǎng)，還不能很好的落實(shí)，由此，為更好的觀察氣泡的產(chǎn)生過程、狀態(tài)及速率，開展了實(shí)驗(yàn)的可視化改進(jìn)，設(shè)計(jì)并開展了相關(guān)的半定量和定量實(shí)驗(yàn).

2?探究方案

2.1?實(shí)驗(yàn)原理

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

2.2?實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)驗(yàn)探究步驟

2.3.1?可視化定性實(shí)驗(yàn)

（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(yīng).

（3）待反應(yīng)結(jié)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(fù)步驟（1）～（3）.

2.3.2?可視化半定量實(shí)驗(yàn)

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(wàn)倍.將20%豬肝研磨液每次稀釋4倍后與過氧化氫溶液反應(yīng).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(shí)的現(xiàn)象相似（氣泡生成速率相似），則可認(rèn)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(shí)過氧化氫酶與Fe3+濃度差即可估測(cè)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(shí)驗(yàn)

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(jì)時(shí)2min，然后，算出在此時(shí)間段內(nèi)放出的氣體量.同樣的另外一組裝置進(jìn)行20%肝臟研磨液稀釋128倍后的操作，統(tǒng)計(jì)氣體量如圖2所示.

3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

雖然底物和催化劑的試劑用量?jī)H為30μL，反應(yīng)的空間尺度很小，但經(jīng)過可視化改進(jìn)，細(xì)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(yīng)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(yīng)基本停止.這個(gè)過程在視頻回看（尤其是慢速播放）時(shí)，非常生動(dòng)、細(xì)膩，令人印象深刻.

通過半定量實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)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(dāng)，結(jié)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(wàn)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(jìn)一步驗(yàn)證了酶具有高效性的理論知識(shí).

教師引導(dǎo)學(xué)生通過可視化的改進(jìn)，激發(fā)了學(xué)生的探究欲望，并逐步實(shí)現(xiàn)了半定量和定量實(shí)驗(yàn)的開展，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析過程中闡明了生命現(xiàn)象，明確了結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)觀，培養(yǎng)了理性思維，并在實(shí)驗(yàn)裝置的可視化改造進(jìn)程中，明確了生物科學(xué)發(fā)展與科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)系，讓學(xué)生懂得了生物學(xué)科對(duì)于社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)作用.

此外，對(duì)于半定量和定量實(shí)驗(yàn)，基于有條件的學(xué)?？梢赃M(jìn)一步開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件的運(yùn)用，以此增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的直觀性、可視性、準(zhǔn)確性.

（收稿日期：2020-01-02）