浅议在“过氧化氢酶活性实验”中培养学生的创新探究能力

李万瑞 陈加敏

摘要 利用“微小压强计”设计了氧气含量测定装置，通过该装置，定性和定量地测定了多种植物材料的过氧化氢酶活性。以红薯为材料，创新性地测定了pH和温度对过氧化酶活性的影响。实验的开展提升了学生的科学探究能力，发展了学生的高级思维能力和创新能力。

关键词 过氧化氢酶 酶活性 pH 温度

中图分类号G633. 91

文献标志码 B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中提出：为了帮助学生达成“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”概念的理解，应开展“探究酶催化的专一性、高效性及影响酶活性的因素”实验。在《课程标准》探究实验的教学实施建议中提到：在探究活动中，鼓励学生自己观察、思考、提问，并在提出假设的基础上进行探究活动方案的设计和实施;鼓励实验材料的创新，在重视定性试验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。

人教版等教材选用猪肝研磨液作为“探究过氧化氢酶高效性和影响因素”的实验材料。但基于《课程标准》的要求和建议，教材提供的探究实验有以下值得思考的问题：①猪肝研磨液具有气味，实际教学中常引起部分学生不适，也不易保存。能否寻找到更简单易行的材料？②能否在定性的基础上，定量地检测酶的活性？③由于过氧化氢分解易受到温度影响，教师普遍认为不能探究温度对过氧化氢酶的影响。但过氧化氢酶的本质是蛋白质，活性必然受到温度的影响。能否设计出实验，探究温度对该酶的影响？针对这三个问题，在教师的引导下，学生利用物理实验中常用的“微小压强计”，设计出“微小压强计”氧气含量测定装置。学生利用该装置，在直观定性观察的基础上，定量检测了多种生物材料中的过氧化氢酶活性，自主测定了pH对红薯过氧化氢酶活性的影响;创新实验方案，探究了温度对过氧化氢酶活性的影响。该实验展科学地测定了过氧化氢酶的活性，有利于加深学生对酶特点的理解，提升学生的科学探究能力、质疑精神、高级思维和创新能力。

1 微小压强计氧气测定装置的设计

实验用具：利用锥形瓶、棉线，铁钩、试管、橡胶管、橡皮塞、微小压强计、滴管、铁架台、注射器等。

装置安装：在250 mL的锥形瓶中放入适量的过氧化氢溶液，橡皮塞上插上铁丝和导气管，用棉线将实验材料悬挂在铁丝的下端。在橡皮塞安装在锥形瓶口上，通过导气管和橡胶管连通铁架台上的微小压强计，并在装置的所有连接处涂上凡士林进行密封。实验装置如图1所示。

实验操作程序：先用棉线吊着铁丝，铁丝上挂有固体实验材料，目的是防止实验材料中的过氧化氢酶在测定前与过氧化氢溶液接触。然后，用手按压铁丝，使实验材料与锥形瓶中的过氧化氢溶液接触反应，或者通过注射器将液体实验材料直接定量注射入反应溶液中。一定时间内微小压强计的刻度变化可以反映氧气的产生量。

2 多种材料中过氧化氢酶活性的测定

学生利用“微小压强计”氧气含量测定装置测定了苹果、梨、香蕉、红薯、胡萝卜、马铃薯中的过氧化氢酶活性。实验方法如下：首先利用水果模具，获取厚度为2 mm的相同数量和形状的实验材料，用天平称量材料的重量，利用“微小压强计”氧气含量测定装置，测定各种植物材料与体积浓度为3%的过氧化氢溶液反应产生的氧气含量，每种材料重复3次实验，计算出每克材料10 min内引起的“微小压强计”刻度的变化的平均值。实验结果显示红薯中过氧化氢酶活性较高，适合用于替换肝脏研磨液以探究过氧化氢酶活性的影响因素。实验结果如图2所示。

3 pH对过氧化氢酶活性的影响

以红薯为材料，教师提供了多种可选择的实验用具，引导学生自主探究pH对红薯的过氧化氢酶活性的影响。实验方案如下：首先配制pH为3-8的磷酸氢二钠一柠檬酸缓冲溶液，与适量过氧化氢溶液混合，配制成pH分别为3、4、5、6、7、8且体积浓度為3%的过氧化氢溶液。与水果磨具制取的红薯块反应，利用微小压强计氧气含量测定装置，测定10 min内氧气的产生量，实验结果如图3所示。

实验结果表明，红薯过氧化氢酶的最适pH在6-8之间。在此实验的基础上，学生在pH6-8之间设置以0.2为梯度的pH条件，探究其对红薯过氧化氢酶活性的影响。实验结果表明，红薯过氧化氢酶的最适pH为7.4左右（图4）。

4 温度对过氧化氢酶活性的影响

由于高温会促进过氧化氢的分解，在特定温度下，难以说明过氧化氢的分解是酶的催化作用，还是温度的影响。因此在教学中，大多教师认为不能用过氧化氢酶探究温度对酶活性的影响。但是，过氧化氢酶的化学本质是蛋白质，其活性必然受到温度的影响，因此如何巧妙而科学地设计实验，评价温度对过氧化氢酶活性的影响，极大地引发了学生的探究兴趣。在教师的引导下，学生设计出创新的探究方案，并开展了实验。探究过程如下：

提出问题：如何科学地探究温度对红薯过氧化氢酶活性的影响？

实验思路：在特定温度下，用氧气生成总量减去温度导致的氧气生成量，即为酶催化的氧气生成量，据此即可测定温度对过氧化氢酶活性的影响。

实验方案：实验分为两组。第一组在不同温度下，加入定量过氧化氢酶，测定氧气产生量;第二组是在第一组的对应温度下设置不加酶的空白对照，测定不同温度下过氧化氢自分解产生的氧气量。比较加酶的实验组和空白对照组之间的差值即可以反映温度对过氧化氢酶活性的影响。

实验的实施：学生通过查阅文献，发现在60℃以内过氧化氢的分解较慢，据此，将实验探究温度设置范围为0-60℃，用水浴锅设置温度30-60℃，冰水混合物设置0℃。将体积分数3%的过氧化氢溶液放在各温度的水溶锅中5 min，利用微小压强计氧气测定装置，测定加红薯片和不加红薯片的两组实验中过氧化氢分解导致的刻度变化值。实验结果显示，在40℃前，红薯过氧化氢酶活性随温度的上升而升高;但由于微小压强计中气体体积易受温度的影响，温度达40℃后，气体体积的变化超出了微小压强计的测定范围。因此，使用微小压强计装置，难以反映出高温对红薯过氧化氢酶活性的影响。从趋势上来看，红薯过氧化氢酶活性受到温度的影响。通过谈论和交流，学生将该装置中的微小压强计更换为“氧气传感器”，测定温度对红薯的过氧化氢酶活性的影响，实验结果见表1。

最后，学生交流并得出结论：实验结果表明，红薯的过氧化氢酶的活性受到温度的影响，红薯的过氧化氢酶的活性最适温度在45℃-50℃之间。

5 教学反思

5.1 实验装置和实验材料

微小压强计是物理实验室常用的实验用具，也是易购买且成本较低的装置。利用微小压强计氧气含量测定装置进行的创新实验，培养了学生的跨学科实践能力，也实现了规范、低成本的实验教学要求，实现了实验教学中关于定性和定量实验的要求，能够帮助学生在量的变化中认识到过氧化氢酶的作用及特点，符合《课程标准》中的实验教学建议。

5.2 探究能力和科学思维

本实验教学重视提升学生探究能力，重视学生的自主探究和科研体验，训练了学生筛选、处理和评价实验材料的能力。学生通过小组合作创新实验设计、修正、完善实验方案，科学记录和处理实验数据，将常规的定性实验转化为定量实验。对实验结果的交流讨论有利于学生主动建构重要概念“绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶的活性受到环境因素（如pH和温度等）的影响”。整个实验教学过程完整地体现了科学探究能力的训练，开发了学生的科学思维。

5.3 质疑精神和创新能力

本实验教学中，教师通过引导学生认同“作为化学本质为蛋白质的过氧化氢酶，其活性必然受到温度的影响”这一观点，引起学生质疑和探究的兴趣。学生通过小组交流讨论，创新地提出实验思路和实验方案，并在实验过程中，不断地修正、完善实验方案，最终证明了利用过氧化氢酶探究温度对酶活性的影响是可行的，并科学地评价了不同温度对过氧化氢酶活性的影响。学生在此过程中亲身体验科学探究的开拓、修正和发展过程，也体现出自身所蕴含的巨大创新潜力。

参考文献：

中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.