验证酶高效性实验的可视化改进

陈兆亮 康珍 金瑛 张英锋

摘 要：从教材传统实验可视性化的不足出发，通过引导学生设计、使用微距镜头、连通注射器、实施从“定性”到“定量”实验的操作，不但能让学生学会科学探究的一般方法，也能从实验数据的分析中培养学生的理性思维，并从实验现象的观察中体会到生物核心素养下的“结构与功能的适应观”.

关键词：半定量;定量;可视化

1 问题的提出

酶的高效性实验首先出现在高中生物人教版必修一《分子与细胞》第五章第一节内容之中，是升入高中后学生接触到的第一个开放性实验，教材中利用试管进行物质反应，学生通过观察氧气气泡的产生速率及卫生香的复燃程度来感受酶的高效性，对实验现象的观察还仅仅停留在感性认知水平，主观性较强，对于高中生物学核心素养——“理性思维”的培养，还不能很好的落实，由此，为更好的观察气泡的产生过程、状态及速率，开展了实验的可视化改进，设计并开展了相关的半定量和定量实验.

2 探究方案

2.1 实验原理

酶具有高效性，其催化活性远大于无机催化剂，据资料可知，酶的催化效率是无机催化剂的107～1013倍.两者均可以催化H2O2分解为H2O和O2，产生的O2会形成气泡，根据相同时间内气泡产生的速率或者等量的H2O2完全分解所需要的时间即可估算比较两者的催化效率.

2.2 实验器材

5%过氧化氢溶液、3.5%氯化铁溶液、新鲜的20%猪肝研磨液、手机或平板电脑（需要带有前置摄像头）、微距镜头、透明塑料尺、厚书本、50μL注射器、10mL注射器.

2.3 实验探究步骤

2.3.1 可视化定性实验

（1）用50μL注射器在塑料尺上滴一滴30μL的过氧化氢溶液.

（2）开始錄像，用50μL注射器在塑料尺上滴一滴30μL三氯化铁液滴，使其与过氧化氢液滴融合，发生反应.

（3）待反应结束，停止录像，擦干净塑料尺.

（4）将三氯化铁溶液换成猪肝研磨液，重复步骤（1）～（3）.

2.3.2 可视化半定量实验

每滴3.5%三氯化铁溶液中含Fe3+的浓度约为20%猪肝研磨液中含过氧化氢酶浓度的25万倍.将20%猪肝研磨液每次稀释4倍后与过氧化氢溶液反应.随着猪肝研磨液浓度的降低，过氧化氢分解速率减缓，直到与3.5%三氯化铁催化过氧化氢时的现象相似（气泡生成速率相似），则可认定该浓度的猪肝研磨液与3.5%三氯化铁催化效率相似.比较此时过氧化氢酶与Fe3+浓度差即可估测过氧化氢酶比铁离子催化效率高出的倍数.

2.3.3 可视化定量实验

采用连通注射器（如图1所示）分别注入1mL H2O2和1mL 3.5%FeCl3，然后混匀，并计时2min，然后，算出在此时间段内放出的气体量.同样的另外一组装置进行20%肝脏研磨液稀释128倍后的操作，统计气体量如图2所示.

3 实验结果及实验效果评价

虽然底物和催化剂的试剂用量仅为30μL，反应的空间尺度很小，但经过可视化改进，细节被放大，可清晰地呈现.FeCl3催化下的过氧化氢溶液分解缓慢，气泡缓慢地生成、破裂，约7分钟后反应才基本停止.猪肝研磨液（过氧化氢酶）催化下的过氧化氢溶液剧烈分解，气泡迅速生成，融合后的液滴迅速膨胀至原本的3倍大小，约70s后反应基本停止.这个过程在视频回看（尤其是慢速播放）时，非常生动、细腻，令人印象深刻.

通过半定量实验和定量实验可知，20%肝脏研磨液稀释128倍后，其催化效率与3.5%FeCl3的催化效率相当，结合每滴3.5%三氯化铁溶液中含Fe3 +的浓度约为20%猪肝研磨液中含过氧化氢酶浓度的25万倍.推算出20%猪肝研磨液中含过氧化氢酶的催化效率是3.5%三氯化铁的3.2×107倍，进一步验证了酶具有高效性的理论知识.

教师引导学生通过可视化的改进，激发了学生的探究欲望，并逐步实现了半定量和定量实验的开展，在实验数据的分析过程中阐明了生命现象，明确了结构与功能的适应观，培养了理性思维，并在实验装置的可视化改造进程中，明确了生物科学发展与科学技术创新的关系，让学生懂得了生物学科对于社会发展的推动作用.

此外，对于半定量和定量实验，基于有条件的学校可以进一步开展数字化实验平台软件的运用，以此增强实验过程、实验现象及数据的直观性、可视性、准确性.

（收稿日期：2020-01-02）