比較過氧化氫在不同條件下的分解實驗 的教學設計

郝帥晶　趙晨霞　李曉蘭

摘 要：本實驗按照教材中“目的要求—材料用具—方法步驟—討論—結論”的框架實施，要求學生在該框架下進行實驗，通過比較、分析實驗現象，歸納、概括得出實驗結果。在分析課標、教材、學情的基礎上，制定出本節課的教學目標，依據教學目標和參考文獻，優化和改進實驗設計，并選取合適的實驗材料和實驗儀器，讓學生熟悉實驗過程，帶領學生組裝實驗裝置，并進行實驗操作，觀察實驗現象、推測實驗結果，完成課堂教學活動。旨在通過改進的實驗方案加快學生對教學內容的掌握，培養學生團結協作能力，同時能直觀感受實驗現象的變化過程，注重實驗細節，體會量變帶動質變的過程，提升教學效果。

關鍵詞：過氧化氫分解;組裝實驗裝置;團結協作;教學設計

中圖分類號：G423? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）04-0001-04

1 教學設計思路

1.1 設計理念

結合《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中生物學課程目標達成的途徑，即學生要主動地參與學習，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程中習得生物學知識，養成科學思維習慣和積極的科學態度，掌握科學探究的思路和方法，發展終身學習及創新實踐能力[1]。運用“5E（引入、探究、解釋、精致、評價）”教學模式，聯系生活實際，選取容易購置且實驗現象明顯的實驗材料香菇，目的是為了達成《課程標準》中要求的重要概念，即酶能降低化學反應的活化能。

1.2 設計思路

比較過氧化氫在不同條件下的分解實驗的目的在于讓學生通過對比不同實驗處理下過氧化氫分解的進程，了解過氧化氫酶的作用[2]。按照教材給定的框架進行實驗設計，學生通過對過氧化氫分解的判斷是通過氣泡的多少以及觀察衛生棉復燃的情況來獲得實驗結果，雖然在結果產生的過程中對現象的觀察有可比性，但學生需要仔細觀察其中的變化過程才能給出較準確的描述，直觀性差。教材中的實驗材料是新鮮的肝臟，雖然購置的肝臟可以通過冷藏或冷凍的方式進行保存，但無法保證肝臟中過氧化氫酶的活性，并且由于肝臟取自動物體內，部分學生對動物保護具有較強的意識，難以接受用動物肝臟進行實驗，為了保證實驗的正常開展以及全體學生參與，必須對教材中的實驗進行優化和改進。在本實驗中，鍛煉學生使用科學方法“控制變量和使用對照實驗”也是難點之一。筆者通過查閱文獻指導本實驗的設計思路，嘗試解決開展該實驗遇到的困境。關于實驗材料，部分研究者嘗試使用植物研磨液來代替新鮮肝臟研磨液，如胡蘿卜、土豆、香菇、青椒、蘋果、洋蔥等。其中土豆研磨液[3]和香菇研磨液[4]是較好的過氧化氫酶的材料來源。筆者分別對土豆研磨液和香菇研磨液進行了預實驗，發現香菇研磨液產生氣泡的速度更快。因此，本實驗過氧化氫酶的供體選擇了香菇。關于實驗結果如何量化的問題，不少研究者嘗試用小氣球[5]和注射器[6]來收集氣體，借此將結果量化，使學生直觀地感受到過氧化氫分解的快慢。筆者分別用小氣球和注射器進行了預實驗，發現注射器組裝集氣裝置存在缺點，即由于注射器針孔較小，氣體容易在裝置內產生較大的壓力，導致裝置漏氣;或者由于使用的注射器體積小且活塞摩擦力小，壓力過大時活塞脫離針管;或注射器活塞摩擦力過大而影響活塞的活動，最終影響了實驗現象的觀察。綜合考量后選擇用小氣球來收集本實驗中產生的氣體。關于科學方法如何在教學中滲透這一問題，筆者嘗試設計表格，讓學生在完成實驗操作后，填寫表格，分析實驗中的“自變量”“因變量”“無關變量”“對照組”“實驗組”，幫助學生理解控制變量和設計對照實驗。

2 制定教學目標

2.1 課標分析

在生物學課程教學中，實驗教學發揮著不可忽視的作用，是培養學生生物學學科核心素養的重要途徑之一。《課程標準》要求教師在教學中加強和完善實驗教學，在進行教學時要盡量采用多樣化的實驗設計，讓學生在量的變化中了解事物的本質，并注意實驗安全教育[1]。

《課程標準》規定本節課學習的重要概念是“酶能降低化學反應的活化能”[1]，為此，教材中設計了“比較過氧化氫在不同條件下的分解”的探究實驗和“酶降低化學反應活化能示意圖”[2]。因此，本節課對于學生理解酶在新陳代謝中的作用機制以及理解“酶能降低化學反應的活化能”這一重要概念起到十分重要的作用。

2.2 教材分析

探究實驗“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是人教2019版高中生物學教材必修1第五章第1節的內容[2]，不僅讓學生認識到酶是細胞代謝中的重要載體，而且讓學生理解酶的催化作用，理解酶本身在催化反應前后并未發生變化。

教材中實驗按照“目的要求—材料用具—方法步驟—討論—結論”程序進行[2]，在學生的討論與交流之后得到實驗結果，教師在教學時創造讓學生運用“比較”“分析”“歸納”“概括”等科學方法解決實際問題，有效地進一步發展學生的科學思維。

教材中編排了“科學方法”欄目“控制變量和設計對照試驗”，詳細介紹了“變量”“自變量”“因變量”“無關變量”“對照實驗”的概念以及設計對照實驗的原則，“除自變量外，其余變量都要保持一致，并且要將因變量進行對比分析”，為學生在學習中掌握自主設計對照實驗打下理論基礎[2]。

2.3 學情分析（見表1）

2.4 教學目標

在分析《課程標準》、教材以及學情的基礎上，根據課標的內容以及對學生的要求，符合學業質量標準，并圍繞培養學生的生物學學科核心素養，制訂本節課的教學目標：

通過分析過氧化氫及過氧化氫酶的相關資料，歸納、概括過氧化氫酶在細胞代謝中的作用。

通過觀察不同實驗處理下過氧化氫溶液的狀態，推測過氧化氫分解的快慢，科學地分析自變量與因變量之間的關系。

通過參與實驗并與他人合作交流，能夠清晰地表達自己的感想，認同集體的力量可以幫助我們有效地完成任務。

3 教學過程

3.1 課前準備

3.1.1 制備3%過氧化氫溶液和香菇研磨液

實驗室中只有濃度30%的過氧化氫溶液，將其稀釋即可獲得濃度為3%的過氧化氫溶液。

香菇研磨液由教師在實驗課開始前研磨后備用，確保每組同學使用的香菇研磨液中過氧化氫酶的含量及活性相同，剔除前期操作差異產生的實驗結果。

3.1.2 實驗器材的選擇

本實驗選用250mL抽濾瓶作為反應裝置，小氣球為集氣裝置。通過觀察小氣球的變化判斷過氧化氫的分解快慢，為了確保實驗的順利進行，教師應在實驗前測試氣球的密閉性，并為各組提供顏色一樣的氣球，避免色彩的差異和視覺的差異影響實驗結果。實驗開始前將小氣球用皮筋套在抽濾瓶的抽濾嘴上，排盡小氣球中氣體，保證實驗開始前實驗條件的一致。

3.1.3 預試驗

預實驗可為正式實驗奠定基礎，檢驗實驗的可操作性，避免因設計不合理等原因造成實驗失敗。教師進行預試驗，不僅有助于檢測實驗的可行性和科學性，還有助于熟悉實驗過程，了解實驗所需時間等，為本實驗課做好實驗安排和設計。圖1—圖3分別為過氧化氫溶液（左：過氧化氫酶處理下，右：FeCl3處理下）在實驗開始、實驗中期、實驗后期反應的實驗現象。

3.2 實驗教學主要環節

3.2.1 課前分組

教師根據“組間同質、組內異質”的分組原則，將學生3-4人分為一小組。

3.2.2 導入

教師用PPT展示有關過氧化氫對細胞代謝影響的資料，播放過氧化氫在體外分解的視頻。隨后教師指導學生閱讀、分析資料，引導學生思考以下問題：（1）怎樣的實驗處理會使過氧化氫溶液的狀態發生改變，導致過氧化氫分解？（2）不同實驗處理下過氧化氫的分解速率一樣嗎？（3）過氧化氫在生物體內和生物體外分解的條件有何不同？

3.2.3 實驗目的、原理

教師指導學生閱讀教材第77頁有關實驗原理、實驗目的等相關內容，并在黑板上板書過氧化氫分解化學反應式：2H2O2-2H2O+O2↑。教師引導學生思考本次實驗需要什么器材以及如何判斷過氧化氫分解的快慢。

隨后向學生介紹本次實驗選擇香菇作為過氧化氫酶供體，使用小氣球和抽濾瓶的原因。

3.2.4 實驗器材

教師依次展示實驗器材，學生對照教師的講解，檢查組內的實驗器材是否齊全。

3.2.5 實驗過程

第一步，教師將準備的兩支試管展示在學生面前，兩支試管中分別加入2mL濃度為3%的過氧化氫溶液，1號試管不做處理，2號試管放于90℃的水浴鍋中，請一位同學描述實驗現象。學生根據觀察到的現象如實描述并推測溫度對過氧化氫分解的影響。

第二步，請同學們思考：細胞內的過氧化氫可以用加熱的方式進行分解嗎？為了加快反應的進行，初中化學中學過可以使用催化劑，對于體內酶的分解速率和催化劑催化的分解速率進行比較，哪個的分解速率更快？講解本實驗中的反應裝置和檢測裝置。請同學們以小組為單位組裝反應裝置，參考表格中試劑的量進行實驗。

第三步，請各小組選擇一名同學拿兩支小試管到講臺上抽取FeCl3溶液和香菇研磨液各2mL;其他同學分別對兩支抽濾瓶進行編號，在抽濾嘴處捆綁小氣球，并分別向兩支抽濾瓶中各加入20mL過氧化氫溶液。待所有準備工作完成后，兩名同學同時將小試管中2mL的FeCl3溶液和香菇研磨液分別倒入1號和2號抽濾瓶中，快速用軟塞將抽濾瓶瓶口塞緊，輕輕震蕩，使催化劑與底物充分反應。

第四步，請同學們仔細觀察氣球的變化并描述實驗現象，推測無機催化劑和酶對過氧化氫分解速度的影響。

第五步，請各小組成員根據組內的推測結果，并結合其他組分享的實驗過程和結果，分析實驗中存在的問題，探討實驗現象，組間對比，查找和總結本組實驗的優勢和不足。

3.2.6 滲透科學方法

教師指導學生閱讀教材第78頁“科學方法”欄目“控制變量和設計對照實驗”，完成表2。

學生先自主填寫表格，隨后通過師生互動、生生互動（組內、組間交流討論）完善表格。思考和探究生物學研究采用的科學方法[7]。

3.2.7 課堂小結

教師匯總學生實驗情況、討論交流結果，總結過氧化氫在體內、體外分解的特點以及在不同條件下分解速度等。強調對照實驗中控制變量和單一對照原則。布置課后任務，完善實驗報告單。

4 教學反思

4.1 教學設計中充分體現以學生為中心

本實驗使用了3%濃度的過氧化氫溶液，包含加熱分解過氧化氫、點燃木條等實驗過程。由于過氧化氫具有一定的腐蝕性，加熱分解過程可能會燙傷學生、點燃木條使用明火具有一定的危險性，這些操作過程的不當可能會引起安全事故。為了讓學生在相對安全的情況下進行實驗操作，盡量避免安全事故的發生，過氧化氫溶液的稀釋由教師課前完成，過氧化氫的熱分解實驗由教師課堂演示，學生觀察現象并描述，調動學生的積極性。在實驗過程中加入過氧化氫時，讓學生佩戴一次性手套，避免皮膚接觸過氧化氫而受到傷害。在整節課中，學生自己做實驗、描述實驗現象、總結實驗規律、進行實驗反思、表達與交流都充分體現了探究實驗的意義，即把課堂還給學生，讓學生做課堂的主人。

4.2 將衛生香驗證氧氣量的環節改為用小氣球集氣

氣球集氣的過程相對于衛生香驗證氧氣量來說，既保證了學生的安全，也讓實驗現象更加直觀，讓課堂動起來，激發學生學習的積極性。

4.3 用香菇研磨液代替肝臟研磨液

選用香菇研磨液代替肝臟研磨液，解決了肝臟難保存、學生排斥使用肝臟做實驗等問題，確保學生全員參與實驗并保證實驗順利進行。

4.4 使用抽濾瓶作為反應裝置

抽濾瓶獨特的結構，可以直接將小氣球連接其上收集氣體，簡化了集氣裝置連接的繁瑣步驟，同時250mL抽濾瓶為底物與催化劑的結合提供了充分的空間，讓反應更加徹底，現象更加明顯，而且還可以避免因為壓力過大導致氣球漲破。

4.5 整理學生的實驗報告，進行教學反饋

學生所完成的實驗報告集合了學生在本節實驗課中的基本思考過程和實驗過程，是學生對本節課的學習成果的展示。根據實驗報告，教師總結分析學生在實驗過程中的問題，可采用集中反饋和單獨反饋結合的方式讓學生及時反思自己在實驗過程中的優點和不足，并給出合理的解釋，為以后的實驗操作和學習情況的把握奠定基礎，同時根據學生集中出現的問題對教學設計進行調整和完善，達到更好的教學效果。

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參考文獻：

〔1〕中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.57-59.

〔2〕朱正威，趙占良.普通高中教科書：生物學：必修1分子與細胞[M].北京：人民教育出版社，2019.74.

〔3〕王芳.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗失敗原因分析及改進[J].生物學教學，2010，35（08）：47.

〔4〕耿旭珂，岳建明.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗改進[J].生物學通報，2019，54（03）：42-43.

〔5〕余雅翎，王桔紅，張燕芳，萬紫微.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗材料與裝置的改進與創新[J].中學生物學，2019，35（12）：34-35.

〔6〕袁曉娟，禹萍.巧用注射器優化“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗[J].中學生物教學，2018， 34（17）：53-54.

〔7〕黃伊琳，李洪清.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗改進綜述及思考[J].中學生物教學，2021，16：14-16.

收稿日期：2021-12-18

通訊作者：李曉蘭（1977-），內蒙古赤峰人，教授，主要從事生物教育、生態學相關研究。

基金項目：赤峰學院一流學科建設項目（CFXYYLXKB202102）