“探究pH對過氧化氫酶的活性影響”實驗的改進和優化*

宋 娟

（淄博市淄川區般陽中學 山東淄博 255100）

“探究pH 對酶活性的影響”是人教版高中生物學教材必修Ⅰ中的一個重要的探究性實驗，該實驗有助于學生進一步理解“酶的作用與本質”等知識，也是學習“影響光合作用和呼吸作用的相關因素”的基礎。在實驗探究過程中，能促進學生掌握生物學科實驗的基本思路和方法，提高動手實踐能力。

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“課程標準”）提出，實驗教學是促成學生達成生物學科核心素養的重要支撐，要求教師在教學中注重實驗設計的多樣化，例如，采用規范實驗器材，利用低成本、低消耗等實驗材料鼓勵學生參與實驗設計；在注重定性實驗的同時，注重定量實驗的教學，提高學生定量表述實驗結果的能力。

因此，從課程標準對實驗教學的要求分析，目前教材對該實驗的設計有以下不足：1）教材選用的實驗裝置較為簡易，實驗材料動物肝臟易變質，影響實驗結果的科學性；2）教材的實驗設計以定性實驗為主，忽略了學生在量變中了解事物本質的生物學思想的培養。針對這2 個問題，筆者鼓勵學生大膽創新，對教材實驗進行了部分改進。

1 實驗改進

1.1 實驗改進的原理 過氧化氫酶催化過氧化氫分解成氧和水，存在于所有已知動物的各個組織中，特別在肝臟中以高濃度存在。研究表明，置于空氣中易變色的植物組織含有較豐富的過氧化氫酶；植物在逆境下或衰老時，由于體內活性氧代謝加強而使過氧化氫發生累積，而過氧化氫酶可清除過氧化氫，是植物體內重要的酶促防御系統之一［1］。過氧化氫酶的最適溫度為37℃，最適pH值為7～7.3［2］。

1.2 實驗材料的改進 在常溫下，教材采用的豬肝研磨液中過氧化氫酶的壽命較短，實驗時需現配現用；此外，若選取的研磨液不新鮮，過氧化氫酶等有機物會被細菌分解，使過氧化氫酶的活性降低，導致實驗失敗。因此，在實際操作中，該實驗材料的制備和保存具有一定的難度［3］。教師展示問題，鼓勵學生依據實驗原理，分小組對實驗材料進行改進。經過討論，選用成本較低、簡便易得、易于保存的香蕉、馬鈴薯和胡蘿卜作為實驗材料。

1.3 實驗裝置的改進 教材中采用試管和燒杯等簡易實驗裝置，利用點燃衛生香、觀察氣泡等方法判斷過氧化氫酶的活性，觀察結果缺乏客觀性，無法定量。教師展示文獻資料：在保持反應器體積不變的情況下，可設計實驗通過測量反應過程中氣體壓強的變化反映過氧化氫的反應速率，這種實驗裝置便于操作，靈敏度更高，準確度較好［4］。在文獻資料的啟迪下，結合物理學和化學知識，采用U 型氣壓計判斷過氧化氫酶活性的裝置得到一致認可。

1.4 實驗結果表述方式的改進 課程標準指出，教師應給學生提供機會學習生物學研究中的測量方法，實事求是地記錄、整理和分析實驗數據，定量表述實驗結果。因此，在實驗教學中，筆者指導學生利用數據分析軟件將數據結果繪制成直觀的曲線圖進行表述。

2 優化實驗設計

2.1 實驗方案 依據課程標準對生物實驗教學的要求，教師鼓勵學生大膽質疑教材實驗，并引導學生選取馬鈴薯、香蕉和胡蘿卜等作為實驗材料，利用U 型氣壓計進行自主實驗改進。設計2 個探究性實驗：探究1：探究不同植物中過氧化氫酶的活性（兩兩比較進行對照實驗，定性觀察）；探究2：不同pH 對不同植物材料中過氧化氫酶活性的影響（由定性觀察上升至定量實驗）。這2 個探究性實驗能啟發學生留心觀察生活，利用生活中的材料探討生物學問題，提高批判性思維和創新思維能力的同時，幫助學生掌握科學探究的基本思路，進一步培養學生從實踐層面解決生活問題的意愿和社會責任感。

2.2 實驗器材 U 型氣壓計，pH 計，電腦，秒表，U 型試管，錐形瓶，注射器，橡膠管，橡膠塞，玻璃管，止水夾，鐵架臺，研缽，過氧化氫溶液（3%），鹽酸，NaOH 溶液，酸性（pH=6）、中性（pH=7）及堿性（pH=8）的緩沖液，新鮮豬肝，馬鈴薯，香蕉，胡蘿卜，紅墨水等。

3 合作探究，開展實驗

3.1 探究1：比較不同植物中過氧化氫酶的活性

3.1.1 實驗設計的相關思考 在實驗開展之前，根據探究性實驗的設計原則，引導學生思考以下問題：1）本實驗的自變量是什么？ 2）如何排除無關變量對實驗結果的影響？ 3）如何檢查實驗裝置的氣密性？

經小組討論后，學生提出：1）本實驗的自變量是實驗材料的差異；2）為了排除無關變量的影響，實驗時可用打孔器將植物材料打出均勻的長條并截取相同長度進行研磨，在研磨過程中加入等體積的蒸餾水，注射器中要裝入等體積等濃度的過氧化氫溶液等（圖1）；3）根據化學知識，可通過以下方法檢查裝置氣密性：利用其中一個注射器向空的裝置內注射一定量的空氣，一段時間后，液面保持不變，說明氣密性良好，可進行實驗。

圖1 植物研磨液的制備過程

3.1.2 實驗裝置 在U 型管（圖2）內裝適量紅墨水，兩側各連接一個相同的錐形瓶，各裝有20 mL 不同植物組織的研磨液，例如馬鈴薯和香蕉研磨液。錐形瓶上方各連接一個相同的注射器，內裝有2 mL 3%的過氧化氫溶液。實驗開始后，將注射器中的過氧化氫溶液同時注射到錐形瓶中，輕輕搖勻，一段時間后觀察液面的高度差，由此可確定哪種材料中過氧化氫酶的活性較高。

圖2 探究不同植物組織中過氧化氫酶活性的實驗裝置

3.1.3 數據分析 通過U 型管裝置，學生比較得出不同植物組織中過氧化氫酶的活性，依次為：肝臟＞馬鈴薯＞香蕉＞胡蘿卜（圖3）。

圖3 探究不同植物組織中過氧化氫酶活性的實驗結果

3.2 探究2：不同pH 對不同植物的過氧化氫酶活性的影響

3.2.1 實驗設計的相關思考 根據U 型氣壓計裝置的特點，引導學生思考以下問題：1）U 型管的粗細與實驗數據精確性的關系？ 2）注入一定體積的過氧化氫溶液時，會對氣體體積的測量造成影響，應怎樣消除該影響？ 3）酶具有高效性，為防止反應過于劇烈，水從氣壓計管道中沖出，應將植物組織研磨液進行怎樣的處理？

經小組討論后，學生提出：1）在一定范圍內，U管越細，所得數據越精確；2）為了消除過氧化氫溶液對氣體體積測量的影響，可在U 型氣壓計和錐形瓶之間連接一個Y 型玻璃管，并增加一個止水夾；3）將植物的組織液進行稀釋可防止反應過于劇烈。

3.2.2 實驗裝置 實驗開始前采用同樣的方法檢查裝置氣密性，之后在錐形瓶中注入某種pH值的緩沖液10 mL 和稀釋濃度為10%的植物組織研磨液10 mL。實驗開始時先打開止水夾，利用注射器注入濃度為3%的1 mL 過氧化氫溶液，迅速關閉止水夾（圖4），記錄10 s 后氣壓計的讀數，即過氧化氫分解產生的氧氣的體積。根據探究性實驗的平行重復原則，多次測量取平均值，依次測定其他pH 值條件下氧氣的體積。

圖4 探究不同pH 值下植物組織中過氧化氫酶活性的實驗裝置

3.2.3 數據分析 進一步指導學生利用pH 計，縮小pH 值梯度，依次測定氧氣的體積。然后引導學生利用統計學的方法對實驗數據進行科學分析，根據實驗結果繪制的曲線圖可知，馬鈴薯最適pH 值約為6.4，胡蘿卜、香蕉的最適pH 值分別為6.9 和8.0（圖5）。

圖5 探究馬鈴薯、胡蘿卜和香蕉中過氧化氫酶的最適pH 值的實驗結果

4 教學反思

本節課的實驗教學采用自主探究、合作學習的教學策略，結合學生的生活經驗，以批判性思維和創新性思維為指導，在注重生物學與其他學科內容銜接的基礎上，引導學生對教材實驗進行改進。在該教學過程中，實驗活動的設計以探究能力的培養為主線，符合學生的知識基礎和認知規律，能幫助學生有效掌握知識的同時，幫助學生運用科學思維探討生產、生活中的實際問題，體驗學習的樂趣，實現課程目標達成與生物學科核心素養發展的統一性。