【案例分享】“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的创新实验应用案例

“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的创新实验应用案例

鄂尔多斯市第一中学东胜校区    生物组 郭彩琴老师

一、实验教学背景：

现行人教版新旧教材中生物必修1《分子与细胞》第5章第1节"降低化学反应活化能的酶"中"比较过氧化氢在不同条件下的分解"实验存在以下缺陷:一是材料方面，按教材要求的材料为新鲜的质量分数为20%的猪肝研磨液、但新鲜肝脏研磨液有以下缺点（1）难获取、成本高、腥味重、清洗困难。（2）易变质、难保存（冷冻会导致酶活性下降）。尤其是部分学校实验室没有冰箱，会更快变质，无法满足实验要求（3）反应速率过快，不便观察。新鲜的肝脏研磨液催化分解过氧化氢的速度极其迅速，如果用滴管滴加时，控制不精准，量稍多，瞬时产生的大量泡沫使燃烧的卫生香熄灭，影响实验效果，若飞溅到实验者脸上，会伤到实验者。 二是实验装置方面（1）由于整个实验过程及装置都处于全敞开模式,所采用的仪器是试管，由于试管是敞口的，气体漏泄,反应时间延迟等都易导致实验现象不明显。（2）实验现象不稳定。比如气泡带出水汽，导致卫生香熄灭或者开放试管使气体逃逸导致助燃失败。（3）只能做定性实验，无法实现定量研究。基于以上原因，很多学校的老师往往都不开展这一实验。，使得学生无法亲身体验和深刻理解酶的高效性和普遍性。通过更换实验材料和创新实验室的条件解决了以上缺陷。

二．教学的创新点和亮点：

1、实验材料的创新

按教材要求的材料为新鲜的质量分数为20%的猪肝研磨液，将其换为将土豆块茎、菠菜叶片、胡萝卜等材料。有以下优点：（1）材料易得，也易保存（2）人人可用，便于推广（3）酶量适中，速率适宜，实验现象稳定（4）认识CAT分布的普遍性（5）降低了科研的神秘感（6）因其抗氧化功能，可引导学生多吃蔬菜

这些材料可以有效避免肝脏不易获得，易腐败，反映速率过快，卫生香熄灭导致的实验结果不理想等诸多弊端。实验的可操作性大大提高，利于实验的开展。不管是传统实验室还是数字化实验室都可以选择这些材料。

2、实验装备及仪器的改进亮点

利用数字化实验室的条件，就能对多种实验器材进行改进，包括以下几项：

（1）反应器改开放为密闭，便于进行产物的收集。将原实验中的试管做反应器改为气液相密封实验器。解决了几乎所有传统实验室关于气体收集有关实验的难题。

（2）利用气液相氧气传感器，精确测定不同材料中过氧化氢分解的放氧速率，衡量酶催化效率。将原来的定性实验改为定量实验，实验结果发生了质的提高，显著提高了实验的说服力。

（3）实验结果呈现直观、迅速。数字化实验室配备的电脑中其特有的软件可对实验数据快速分析处理，对实验结果以氧气量和曲线图等形式呈现。且边做实验边呈现结果。提高了实验效率，节约了教学时间

（4）操作简单，易于重复。

（5）如果器材充足，设计合理，几组反应可同时进行，有效提高实验效率。

3.教学的创新点和突破点

（1）提高了课堂效率。由于使用先进的实验设备，可同时准确完成多种实验材料的实验过程， 相当于一节实验课完成了探究酶的高效性和比较不同植物材料中过氧化氢酶含量两个实验。

（2）提高了教学质量。定性实验改为定量实验，实验有了质的飞越， 显著提高了学生对酶的高效性的认同感。，利于后面知识的学习。

（3）学生展示充分，学生以小组为单位，将自己电脑实验结果与大屏连接，可实现有理有据的快速展示，且所有组的实验结果都能在课堂展示。

（4）对教材实验稍做改进、大胆创新，开展有挑战性的探究实验，营造了开放有趣的课堂氛围。通过小组合作、师生互动，提升学习共同体的学习力，提高了学生组织与合作能力。

三．对培养学生核心素养起到的作用

依据新课标的新理念与新要求，教学将以核心素养为指向，依据新的教学结构重组各种教学要素。在教学方面的探索如下：

1. 实验课将以记忆、理解为出发点的教学，改为以问题解决为出发点，应用驱动为导向的能力培养模式；本节实验解决了生物体内化学反应的发生依靠谁来实现？酶是否高效？我们常吃的食物中，那种材料的抗氧化抗衰老能力强？

2. 以先学后用为特点的能力培养观念，改为以在“做”中学、“用”中学。

（3）从更关注知识学习的系统性、准确性，走向更关注观念领悟的深刻性、迁移性；（4）从更看重学习的结果水平，走向更看重学习的过程特点，等等。

学生方面：使用创新实验室开展教学中，学生利用操作、发现、讨论、归纳、猜想、论证、自学、交流等学习方法，充分调动学生学习的积极性，启发学生积极的思维.具体如下：

（1）生命观念 理解酶在细胞代谢中发挥的作用，认识酶对自然界生物的重要性。建立结构与功能相统一的生物学基本观念。

（2）科学思维通过分析实验方案、进行实验探究，培养理性思维。

（3）科学探究：掌握探究实验设计方法的应用，提高实验探究能力。实施实验培养学生崇尚科学的态度和实事求是的精神。

（4）社会责任学生通过实验建立科学研究是为生产、生活服务的观念。通过普及酶存在的普遍性和重要性及环保知识，提高社会责任感。

四、教学内容与过程

1.教学目标：

（1）比较过氧化氢在不同条件下的分解速率，和无机催化剂相比，体验酶的高效性

（2）比较几种常见植物材料中过氧化氢酶的含量，并认识到CAT分布的普遍性

2.实验原理：过氧化氢酶，又叫触酶（CAT），普遍存在于所有能呼吸的生物体内，为机体提供了抗氧化防御机理，例如新鲜肝脏，胡萝卜，土豆研磨液中等都含有过氧化氢酶，但不同生物材料中酶的含量不同。Fe3+是一种无机催化剂，它们都可以催化过氧化氢分解产生水和氧气。

通过氧气传感器测定一定时间内氧气的产生量，比较酶和无机催化剂的催化效率及不同材料中酶含量大小。

3.实验材材：计算机 、 智能数字实验盘 、 气液相密封实验器 、溶解氧气中氧一体传感器     

其他耗材：研钵加研磨杵、10mL量筒，10%的过氧化氢溶液，1%的Fecl3溶液、清水，胡萝卜研磨物，马铃薯研磨物，菠菜研磨物

4实验步骤

（1）连接实验装置

用对应的线将四种实验器材连接：顺序为，密封反应器------气体传感器-----数据采集实验盘-----电脑

（2）设置实验系统软件

打开软件，选择专业系统，选择测试指标为氧气，测试时间5分钟，间隔100ms，在曲线编辑器下设置曲线条数，颜色，大小，坐标轴范围等。

（3）进行反应及数据采集

检测气密性后，在气液相实验器中加入10g新鲜的胡萝卜研磨物，并用10mL水清洗研钵残留研磨物后一并倒入试验器中，拧紧实验器盖，加入10mL过氧化氢溶液，塞紧塞子，点击开始采集数据按钮，测定放氧量并观察实验现象。洗净实验器后继续测定清水、Fecl3溶液，胡萝卜研磨液，马铃薯研磨液、菠菜研磨液对过氧化氢分解情况。

（4）实验结果展示，

学生展示实验数据，分析数据，得出结论 ，分析实验操作过程中的成功与失误之处，提出改进措施

（5）教师引导与评价

（上图曲线中从下到上实验的反应条件顺序为：清水，Fecl3溶液，胡萝卜研磨物，马铃薯研磨物，菠菜研磨物）

（6）实验结论总结

①胡萝卜，菠菜和马铃薯作为催化剂时，都可以催化过氧化氢分解，且催化效率都明显高于无机催化剂。

②过氧化氢酶含量比较：胡萝卜 ＞菠菜 ＞马铃薯

（7）学生课下任务

①完成实验报告单

②分析实验操作过程中的成功与失误之处，如何改进？

五．经验总结和反思

1.实验过程中，学生可以自主选择感兴趣的材料，营造了开放有趣的课堂氛围，参与积极性和热情度很高，达到了探究实验的设计意图。在探究的氛围中,学生强化了知识,增强了动手能力,更提高了发现问题,分析问题和解决问题的能力。

2可以尝试对教材其他实验做改进、创新，尝试更多有挑战性的探究实验。

3.过氧化氢酶在动物，植物及微生物细胞中都有分布，还可补充如香菇、葡萄，猕猴桃、微生物等实验材料组别，就能充分说明过氧化氢酶分布的普遍性。

4题目也可改为为探究酶的高效性及比较不同植物材料中过氧化氢酶含量

5.导入时可以用《寻找过氧化氢分解的最佳催化剂材料》,调动学生主动地参与催化剂的寻找,主动去探究,主动去发现,主动去思考。

实验报告单