利用手持技术开展中学生物科学探究——探究过氧化氢酶的最适pH

郑耀贤 胡佳娜

［1北京师范大学（珠海）附属高级中学 广东珠海 519080 2珠海市唐国安纪念学校 广东珠海 519080］

手持技术，也称掌上技术，是由数据采集器、传感器和相配套的软件组成的定量采集数据，并能与计算机连接的实验技术系统［1］，具有便携、直观、实时、量化等特点。生物学是一门实验性科学，实验教学是中学生物学教学的重要组成部分，开展探究性实验能提高学生的科学素养，是达成课程目标的重要途径。

“探究影响酶活性的条件”是人教版高中生物学必修1第5章第1节的一个探究实验，本探究的开展多以定性的角度进行探究，学生在探究过程缺乏直观的数据支撑。同时，长期只依靠定性的方法进行探究使得学生的探究热情不大。新课程标准建议“在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。教师应向学生提供机会学习量的测定，实事求是地记录整理和分析实验资料定量表述实验结果等”［2］。本文以“探究过氧化氢酶的最适pH”为案例，将数字化传感技术与生物科学探究有机结合，为中学生物科学探究提供参考。

1 实验设计

1.1 过氧化氢酶的获取和保存 开展完整的探究实验不是一次就能成功的，人教版教材建议用新鲜的肝脏作为材料，但是新鲜肝脏必须早晨到市场购买，制作肝脏研磨液的过程也较麻烦，由此增加了实验准备的难度，成为学生开展探究的一个障碍。通过查阅文献和预实验，发现用马铃薯作为实验材料，具有效果好、取材方便等优点，因此本研究用马铃薯匀浆作为过氧化氢酶的来源。由于酶的活性容易受温度影响，因此在获得马铃薯匀浆后，应将匀浆置于冰箱低温保存。

1.2 马铃薯稀释液的配制 酶具有高效性，较高浓度的酶催化过氧化氢反应会在短时间内迅速产生大量氧气，容易达到传感器的阀值，导致无法得出真实的数据。本研究通过预实验，得出1 mL马铃薯匀浆加入49 mL水的稀释比例，能将反应速率控制在传感器的阀值以内。

1.3 变量的明确与控制 本实验的自变量很明显，重点是明确因变量和做好无关变量的控制。因变量是酶的活性，酶的活性可以单位时间内反应物的减少量或者生成物的增加量进行转换衡量，本实验利用传感技术，量化氧气的增加量，同时通过肉眼观察记录气泡的产生量，以定量为基础，定性为辅助。控制好无关变量过氧化氢的量也是本实验成功的关键，市售过氧化氢浓度为30%，过氧化氢浓度过高容易出现达到传感器阀值的问题，过氧化氢不足又会影响实验结果的正确性。通过反复实验，摸索出以上反应系统中加入1 mL 30%过氧化氢，能很好地控制反应速率，并确定底物过氧化氢在以上反应系统中是过量的，实验结果如表1：

表1 马铃薯过氧化氢酶用量对过氧化氢反应速率的影响（温度：15℃，反应时间：60 s，n=3）

1.4 pH梯度的设定 本实验先以1为阶，设置了14个pH梯度和1个空白对照组（空白对照组为 50 mL水+1 mL 30%H2O2），共 15组，学生能据此习得过酸、过碱会使酶失活的概念和该酶活性较高的pH范围，再以0.5为阶，探究过氧化氢酶的最适pH。

2 实验原理

细胞中含有能将代谢过程产生的过氧化氢分解为水和氧气的过氧化氢酶，利用马铃薯研磨液中的过氧化氢酶催化过氧化氢释放氧气，2H2O2=2H2O+O2，过酸、过碱会使酶失活，不同的酶具有不同的最适pH。

3 实验仪器与药品

1）实验仪器。 数据采集器、pH 传感器（0～14）、溶解氧传感器（0～20 mg/L）、锥形瓶（150 mL）、电脑、冰箱、烧杯、研钵、纱布、量筒、天平、微量移液器。

2）实验药品。氢氧化钠溶液（5%）、氯化氢溶液（5%）、过氧化氢（30%）、二氧化硅、马铃薯。

4 实验步骤

1）制作马铃薯匀浆。将马铃薯去皮，称取30 g，切片，放入研钵，加入适量二氧化硅，研磨至浆状，加入20 mL清水，摇匀，过滤，得到马铃薯匀浆，置于冰箱保存。

2）组装数据采集器和pH传感器及电脑（图 1），并进行调试。

图1 数据采集器+pH传感器

3）调pH。在锥形瓶中各加入49 mL清水，再各滴加1 mL马铃薯匀浆，摇匀，将pH传感器放入锥形瓶，反复摇匀，启动数据采集，读出溶液pH，用微量移液器移取5%氢氧化钠或者5%氯化氢，配制梯度为1，pH范围为1～14的14组马铃薯匀浆稀释液（图2）。

图2 pH范围为1～14的14组马铃薯匀浆稀释液

4）连接数据采集器和溶解氧传感器及电脑（图 3），并进行调试。

图3 数据采集器+溶解氧传感器

5）向马铃薯匀浆稀释液中加入1 mL过氧化氢溶液（30%），将溶解氧传感器插入反应装置中，60 s后根据软件生成图形读取数据（图4），记录，依此类推，逐个进行操作。

图4 系统软件生成的图形和数据

6）重复实验3次，整理相关数据并用Origin绘图软件绘制图形。

7）缩小探究范围，重复以上2～3步骤配制出pH梯度为0.5的实验组，重复以上4～6步骤完成实验。

5 实验结果与分析

据表 2 和图 5可知，pH=1、2、13、14 时， 溶氧量都与空白对照组相等，肉眼观察不到气泡，说明过酸、过碱会导致过氧化氢酶失活，无法催化过氧化氢分解。pH在3～6之间和12，溶解氧的值也较低，肉眼能观察到个别气泡，说明过氧化氢酶的活性较低。pH在6～9之间随着pH的升高，溶解氧快速上升，肉眼观察到很多气泡，说明酶的活性较高。综上所述，推测马铃薯的过氧化氢酶的活性受pH影响很明显，pH介于7～11之间，其活性较高，进一步探究最适pH，以0.5为阶进行设置。

据表 3和图 6可发现，pH在 7～11之间都能产生较多气泡，传感器测得数据显示pH介于8～10之间马铃薯含有的过氧化氢酶活性都很高，本实验测得活性最高时pH为9.5。

本实验利用传感技术,同时结合肉眼观察，综合分析认为，马铃薯的过氧化氢酶的最适pH为9.5。

表2 pH（1～14）对马铃薯过氧化氢酶活性的影响（温度：15℃，反应时间：60 s，n=3）

表3 pH（7～11）对马铃薯过氧化氢酶活性的影响（温度：15℃，反应时间：60 s，n=3）

图5 pH（1～14）对马铃薯过氧化氢酶活性的影响

图6 pH（7～11）对马铃薯过氧化氢酶活性的影响

6 思考

搜索发现，本实验已有研究方法几乎都局限于定性研究，可喜的是潘金元［3］、马秀芬［4］等研究者已经开始运用定量研究的方法开展相关生物科学研究。过于繁杂的实验准备会挫伤学生继续进行科学探究的积极性，新生代的中学生对数字化、信息化有高度的敏感性和吸引力，利用数字化手持技术开展生物科学探究，并对实验材料等进行优化，降低实验的繁杂程度，增加实验的现代化气息，激发学生开展探究的欲望，为创新人才的培养奠定基础。

以数字化手持技术作为研究手段，有助于学生理解和认识生命科学的实质，改变学习方式，激发学习兴趣，提高学生科学探究的水平［5］。利用数字化手持技术测定了过氧化氢酶的最适pH，获得良好的效果，中学生物学中的部分实验，可以结合该手段进行进一步探究。

主要参考文献

［1］钱扬义.手持技术在理科实验中的应用研究.北京:高等教育出版社,2003:1.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准(实验).北京:人民教育出版社,2003:35.

［3］潘金元,陈明林.“探究影响酶活性的条件”的定量实验.生物学通报,2014,49（9）：47.

［4］马秀芬,赵秀清.尝试做数字化实验：“比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率”教学设计.中小学信息技术教育,2008（7－8）:82.

［5］王磊,魏锐,范林.传感技术：化学实验探究手册.北京:北京师范大学出版社,2007:6.