基于壓強(qiáng)傳感器驗(yàn)證酶高效性新方法的研究

王志坤

[摘 要]通過壓強(qiáng)傳感器驗(yàn)證酶高效性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)會利用現(xiàn)代電子設(shè)備開展生物實(shí)驗(yàn)，并能針對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、解釋和處理，把定性的現(xiàn)象變成理性的數(shù)據(jù)結(jié)果，把定性問題數(shù)字化和定量化，進(jìn)而提升實(shí)驗(yàn)效果。

[關(guān)鍵詞]壓強(qiáng)傳感器；酶；高效性；新方法

[中圖分類號] G633.91[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-6058（2018）11-0080-02

“驗(yàn)證酶的高效性”實(shí)驗(yàn)是高中生物有關(guān)酶特性的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，也是歷年高考的熱點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖孕性O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、提出實(shí)驗(yàn)思路，并能對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、解釋和處理。雖然教材和實(shí)驗(yàn)手冊中給出了可供參考的實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)用具和實(shí)驗(yàn)方法，如“用過氧化氫酶和二氧化錳分別催化質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的過氧化氫溶液”“用點(diǎn)燃后無明火的衛(wèi)生香放在試管口處，觀察衛(wèi)生香復(fù)燃的情況”，但是該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只能證明過氧化氫酶的催化活性比無機(jī)催化劑二氧化錳的催化活性高，卻很容易讓學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為過氧化氫酶會使氧氣的產(chǎn)量增加，這不利于學(xué)生后期對“酶只是提高化學(xué)反應(yīng)速率而不改變化學(xué)反應(yīng)平衡”的學(xué)習(xí)。因此，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)效果雖然明顯，卻很難達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

隨著高中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，各種傳感器及數(shù)字軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用越來越普遍。壓強(qiáng)傳感器是測量壓強(qiáng)的儀器，操作簡單、靈敏度高、數(shù)字顯示直觀清晰，可以實(shí)時(shí)測量實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的壓強(qiáng)變化，并呈現(xiàn)曲線模型，實(shí)驗(yàn)效果好，能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。壓強(qiáng)傳感器驗(yàn)證酶高效性實(shí)驗(yàn)，符合新課標(biāo)的要求，可以使學(xué)生深刻體會現(xiàn)代電子設(shè)備在生物實(shí)驗(yàn)中的精確性和實(shí)用性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、理性思維等生物學(xué)核心素養(yǎng)。

一、實(shí)驗(yàn)原理

過氧化氫酶和二氧化錳都能催化過氧化氫分解，產(chǎn)生水和氧氣，分解速率越大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氧氣越多，密閉實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)氧氣濃度越高，壓強(qiáng)就越大，因此利用高靈敏度壓強(qiáng)傳感器能實(shí)時(shí)測量裝置內(nèi)的壓強(qiáng)變化，通過傳輸線把數(shù)據(jù)傳給電腦，然后在電腦上呈現(xiàn)出壓強(qiáng)變化的實(shí)時(shí)曲線，反映出化學(xué)反應(yīng)速率的大小。

二、實(shí)驗(yàn)操作

1.材料和用具：過氧化氫酶、二氧化錳、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的過氧化氫溶液、三角瓶、橡膠塞、石蠟、凡士林、壓強(qiáng)傳感器、電腦等。

2.實(shí)驗(yàn)裝置組裝方法：如圖1，將橡膠塞打孔，使壓強(qiáng)傳感器的通氣導(dǎo)管穿過孔洞，壓強(qiáng)傳感器與電腦相連，并用石蠟密封橡膠塞孔，塞緊橡膠塞。為增強(qiáng)氣密性可在橡膠塞周圍涂抹凡士林。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）準(zhǔn)備：將全班學(xué)生分為10組，每組4人，各組成員分工合作，各司其職。

（2）步驟：①設(shè)置電腦壓強(qiáng)傳感器指標(biāo)和參數(shù)，打開“開始”按鍵，記錄壓強(qiáng)變化。②取2個(gè)大小相同的三角瓶，1號三角瓶中加入3mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的過氧化氫溶液，放入少許二氧化錳，用橡皮塞蓋緊；2號三角瓶加入3mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的過氧化氫溶液，放入幾滴過氧化氫酶，用橡皮塞蓋緊。③將2個(gè)三角瓶放在相同溫度下，反應(yīng)相同的時(shí)間。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，電腦屏幕上會呈現(xiàn)出壓強(qiáng)實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)所匯總出來的動態(tài)曲線圖形。通過對圖形和數(shù)字的觀察，學(xué)生看出：過氧化氫酶的催化活性明顯比二氧化錳的高，也就不難得出“酶的催化活性極高”的結(jié)論。但這時(shí)思維活躍的學(xué)生就會提出新的問題，如：為什么過氧化氫酶催化的反應(yīng)后期壓強(qiáng)會保持不變？如果時(shí)間延續(xù)下去，兩條線是否重合？如果當(dāng)時(shí)加的過氧化氫量不是3mL而是5mL，或濃度不是2%而是5%，曲線又會是何種形態(tài)？反應(yīng)裝置中三角瓶的大小對實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否有影響？能否用氧氣傳感器代替壓強(qiáng)傳感器直接測量反應(yīng)產(chǎn)物的濃度？……學(xué)生提出的問題比較多，立足學(xué)生的問題將實(shí)驗(yàn)拓展開來，讓學(xué)生主動去探索，這樣能充分調(diào)動學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，促進(jìn)學(xué)生成立研究小組對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更深層次的探索。

四、實(shí)驗(yàn)效果與要求

利用壓強(qiáng)傳感器驗(yàn)證酶的高效性，對儀器的要求不高，只需要有壓強(qiáng)傳感器和電腦就可以了，而且儀器價(jià)格便宜，較易獲得，操作簡單易行，實(shí)驗(yàn)觀測指標(biāo)清晰，學(xué)生很容易獲得視覺上的沖擊，在實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)成功的喜悅。而且變定性實(shí)驗(yàn)為定量研究，動態(tài)變化的整個(gè)過程可測，這就要求學(xué)生要精確操作，有利于學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，有利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和拓展，為深入驗(yàn)證“酶作為有機(jī)催化劑只是改變了反應(yīng)速率，沒有改變反應(yīng)平衡”的特性提供證據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過程中要求學(xué)生操作迅速，組內(nèi)成員間配合要默契；反應(yīng)裝置的密閉性要好，漏氣會對實(shí)驗(yàn)造成較大影響。

五、實(shí)驗(yàn)反思

整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)都是為了讓學(xué)生積極地參與并進(jìn)行思考，實(shí)驗(yàn)的操作也多了很多生成性素材。學(xué)生的積極性一旦被調(diào)動起來，他們的熱情和想法之多甚至?xí)龊跷覀兊囊饬?，這樣就會影響課堂教學(xué)任務(wù)的完成，需要教師有較高的課堂駕馭能力。其實(shí)，學(xué)生對于知識的渴求是無限大的，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望比簡單的灌輸要好得多。因此，讓現(xiàn)代化科技等多元素走入課堂是教學(xué)發(fā)展的一個(gè)有利方向。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的使用還是一個(gè)新生事物，還存在一個(gè)發(fā)展壯大的過程，它作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，會被越來越多的人所接受，而且，實(shí)驗(yàn)手段的數(shù)字化和高科技化是整個(gè)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的發(fā)展方向，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是符合這一趨勢的，必能帶來生物實(shí)驗(yàn)的新變革，也能帶動生物教學(xué)的新變革。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1]袁芳芬.基于高中化學(xué)反應(yīng)速率教學(xué)中探究實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐和設(shè)計(jì)[J].亞太教育，2016（2）：264.

[2]朱勤.“化學(xué)反應(yīng)速率”的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013（9）：29-30.

[3]許高波.基于科學(xué)探究的化學(xué)反應(yīng)速率教學(xué)實(shí)踐[J].數(shù)理化解題研究，2016（21）：68.

[4]褚亞平.“化學(xué)反應(yīng)速率”的教學(xué)與思考[J].中學(xué)教學(xué)參考，2013（20）：80-81.

（責(zé)任編輯 黃春香）