視頻簡介：
視頻標簽：全國高中生物,實驗教學,微課視頻錄像
所屬欄目：模擬課、微型課及試講
視頻課題：第五屆全國高中生物實驗教學微課視頻錄像《利用“DIY+DIS”系統自主探究過氧化氫的分解》湖南
教學設計、課堂實錄及教案：第五屆全國高中生物實驗教學微課視頻錄像《利用“DIY+DIS”系統自主探究過氧化氫的分解》湖南師大附中高中生物
利用“DIY+DIS”系統自主探究過氧化氫的分解
湖南師大附中 向 陽
一、使用教材
人教版高中《生物》必修1《分子與細胞》第五章第一節“降低化學反應活化能的酶”。
二、實驗器材
1.實驗器具
DIY反應器、DIS系統、試管架、試管、玻璃鹽水瓶、量筒、滴管、燒杯、火柴、衛生香等
2.實驗試劑
新鮮的質量分數為20%的肝臟研磨液、體積分數為3%的過氧化氫溶液、質量分數為3.5%的FeCl3 溶液、清水。
3.實驗材料
各小組自主探究所需材料（20%冷凍豬肝研磨液、20%不同辣度的辣椒研磨液、20%土豆研磨液、5%氫氧化鈉、5%鹽酸等）。
三、實驗創新要點/改進要點
（一)“DIY”反應器（Do It Yourself）
1. “DIY”反應器的組成：由如圖1所示的五個部分組成。
①反應容器:選用50ml翻口塑膠塞鹽水瓶，與一般試管相比，鹽水瓶能有效防止氣壓過高時瓶塞爆出的現象；
②三通管:選用輸液針管的穿刺器改造而成，可以在保障氣密性的前提下實現三通效果；
③單向閥:由輸液針管改造而成，既可以單向注入底物，有效防止瓶內氣壓增大時，注射器活塞回退現象；
④底物加注器:選用5ml注射器針筒，直接用注射器吸取過氧化氫溶液，既可以簡化等量取樣的程序，又為同時加注底物提供可能性。
⑤同時加注支架:選用小號試管架的部分部件，當實驗組較多時，可實現底物同時加注，實現反應同時開始。
2.“DIY”反應器改進要點
（1）教材原型實驗分析
教材上的實驗原理為過氧化氫分解后可產生具有助燃功能的氧氣，但在常溫下分解速率很慢，用帶火星的衛生香檢驗，衛生香不復燃；單獨加熱過氧化氫溶液，用帶火星的衛生香檢驗，長時間加熱沸騰后，帶火星的衛生香火星變得明亮但不復燃，說明過氧化氫在加熱時分解了，但速率較慢；在過氧化氫溶液中加入不同的催化劑，通過對比衛生香的燃燒程度比較不同催化劑的效率，燃燒越劇烈，效率就越高。
在實踐中發現，教材實驗原型存在以下幾點不足：
①該實驗使用的實驗儀器是敞口試管，新鮮的肝臟研磨液（含大量的過氧化氫酶）催化分解過氧化氫的速度極其迅速，如果滴加的量稍多，瞬時產生的大量泡沫有時會飛濺出來，有安全隱患;
②實驗步驟 4 ，“2~3 min 后，將點燃的衛生香分別放入3 號和 4 號試管內液面上方，觀察哪支試管中的衛生香燃燒猛烈”，從而比較無機催化劑和過氧化氫酶的催化效率。由于該實驗用的是敞口試管，等待時間稍長，試管內的氧氣已有部分泄露到空氣中，導致觀察到的現象不明顯。若縮短等待時間，由于過氧化氫分解后會產生含水量很高的氣泡，帶火星的衛生香深入試管，不但不復燃，反而會熄滅的現象。
③該實驗是將過氧化氫溶液置于不同的環境中，實際操作時，難以實現同時進行，從控制無關變量的角度考慮，還有改進空間。
（2）DIY反應器改進要點：
①開放改為密閉：將原本敞開反應器改為密閉的反應器，避免產生泡沫飛濺、氧氣泄露等問題；
②“目測”改為“傳感”：將反應器與數字化信息系統相連，精確測量氣壓值，通過比較曲線圖，直觀體驗酶的高效性；
③特殊裝備“防爆”：如果用試管、分支試管或小錐形瓶作為反應器，按照教材上過氧化氫的濃度和用量，加入豬肝研磨液的試管，很快就會出現橡膠塞爆出的現象。一旦“爆瓶”，瓶內氣壓迅速下降，實驗失敗（圖3）。降低過氧化氫濃度或者增大反應器體積可以解決“爆瓶”問題，經實驗反復驗證，在體積為50ml的反應器內，2滴20%的新鮮豬肝研磨液和3%過氧化氫溶液1ml混合后，基本不會“爆瓶”，但是如果增至2滴新鮮豬肝研磨液或者2ml過氧化氫溶液，則極易發生“爆瓶”現象。然而，在降低底物濃度的同時，要考慮到總反應速率過慢，而課堂時間有限。鹽水瓶的反口橡膠塞承受氣壓值的能力遠遠高與普通單孔橡膠塞，可以有效防止“爆瓶”，減少學生自主探究的條件限制。
④巧設單向閥門：在實驗探索的過程中，發現反應開始后，試管中氣壓升高會使注射器活塞出現回退現象，必須一直按住。在注射器和試管之間增加單向閥，可以有效防止氣體導致活塞回退。
⑤實現實驗同時開始：如果實驗組比較多，“同時加注支架”就可以發揮作用，實現實驗同時開始。首先讓所有注射器處在同一平面上，然后同時按壓，減少時間差帶來的誤差（圖1中⑤為同時加注支架）。
⑥氣密性標準高：由于要精確記錄反應器內氣體壓強的變化，對數據進行定量分析，如果容器氣密性不夠好，實驗難以成功。本實驗的反應器瓶口可以同時滿足既有入口添加底物，又有氣體出口與氣壓傳感器相連，達到三通效果。
由分支試管搭配單孔橡膠塞、錐形瓶搭配雙孔橡膠塞和玻璃導管（圖4），就能實現三通，但很難達到增壓條件下的氣密性要求。以分支試管為例，在其分支上加橡皮管與傳感器相連，試管口用玻璃導管和橡皮管與注射器相連。實踐時發現，一是管口玻璃管與橡膠塞接縫在氣壓較高時容易出現氣體泄漏，二是該試管分支上的橡皮管與傳感器軟管難以實現無縫對接，我曾嘗試用滴管玻璃頭，勉強匹配實現要求，但是每次重復實驗都要將分支試管的橡膠塞以及傳感器接口拆除，且清洗時，分支內不能有水分殘留，以免下次實驗時污染傳感器。玻璃導管和滴管玻璃頭都是玻璃制品，學生操作容易出現破損，不夠安全。
本實驗采用一次性輸液穿刺器與翻口塑膠塞，并且選用各種尺寸的透明軟塑管進行連
接，能有效防止氣體泄漏，氣密性標準高。
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圖3 “爆瓶”前后氣壓曲線 圖4 錐形瓶和分支試管 |
（二）DIS系統的應用
1.DIS系統的組成
“DIS”系統（Digital Information System）即數字化信息系統，由“傳感器＋數據采集器＋計算機”三部分構成。 該實驗系統最根本的特點是將實驗過程或現象轉化為可檢測的物理信號。本實驗中，就是利用壓力傳感器將不同組反應器內的氣壓變化值轉化為曲線圖，使反應結果的呈現實時化、精細化（圖5）。
2.使用DIS系統的主要優勢：
①將定性實驗改為定量實驗：2017版高中生物新課標提出“生物學的研究經歷了從現象到本質、從定性到定量的發展過程。當今，它在微觀和宏觀兩個方向的發展都非常迅速，并且與信息技術和工程技術的結合日益緊密，正在對社會、經濟和人類生活產生越來越大的影響。”本實驗采用先進的 DIS 實驗系統，通過氣壓傳感器實時測量過氧化氫分解反應放出氧氣的氣壓，利用氣壓變化快慢與氧氣放出速率成正相關的關系，實時顯示不同條件下過氧化氫分解速率的差異。
②結果呈現直觀、迅速：系統及時記錄反應開始后每一時刻反應器內氣壓的變化值，并可以以表格、曲線圖等不同形式展現，且有利于提高學生獲取信息、分析數據的能力。
③操作簡單，易于重復：重復實驗只需更換反應器內的底物即可，與排水集氣法和利用U型管液面高度差來研究為例，實驗結束后不需要處理集氣端儀器或使液面恢復平衡，因此，從時效性來看，更適合在課堂上開展小組合作探究。
④數據精細，利于分析：能夠觀測到豬肝組和氯化鐵組氣壓值，在一段時間之后趨向一致，能夠幫助學生理解酶的催化作用只改變反應速率，不改變氣體產量。(圖6)
圖6 ABC三組過氧化氫分解速率的比較
（A為豬肝組、B為氯化鐵組、C為清水組） |
（三）自主合作探究的授課形式
1.問題分析
教材中原實驗，是給定實驗材料、實驗方法和步驟，學生只需要按部就班地進行實驗，通過對實驗方案的分析，掌握設計對照實驗的原則，理解對照實驗、變量等概念。學生沒有自主探究的機會。
2.改進與創新
將探究性實驗與驗證性實驗相融合，首先通過教材原方案的新實踐，理解酶的高效性，理解對照實驗的設計原則等，再通過小組合作，完成自主探究。
由于對裝置的改進，學生可以運用該裝置開展很多定量實驗，學生探究積極性高。探究性試驗與驗證性實驗相比，有利于學生克服思維定式的束縛，更有利于學生的探索精神和創造性思維的培養。實驗的成功與失敗都會引起學生注意，進而探索實驗材料的選擇等，培養了學生的思維能力、分析解決問題能力以及實驗創新能力。
表1：某班部分興趣小組探究的問題
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組號 |
探究的問題 |
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1 |
不同濃度的過氧化氫溶液在相同條件下分解速率有何差異？ |
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2 |
土豆和豬肝中過氧化氫酶含量有差別嗎？ |
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3 |
冷凍過的豬肝和新鮮豬肝，其過氧化氫酶催化效率相同嗎？ |
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4 |
香蕉皮和香蕉果肉中過氧化氫酶含量有差別嗎？ |
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5 |
過氧化氫酶活性會受酸堿環境變化影響嗎？ |
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6 |
不同辣度的辣椒中過氧化氫酶含量有無區別？ |
圖7 部分小組設計的實驗方案（左、中為課前自主設計的方案，右為課堂討論調整之后的方案） |
四、實驗原理/實驗設計思路
（一）實驗原理
1.過氧化氫可以分解產生氧氣，加熱讓過氧化氫分解釋放氧氣的速率大于常溫下過氧化氫分解釋放氧氣的速率。
2.FeCl
3催化過氧化氫分解釋放氧氣的速率大于加熱分解的速率，但低于肝臟研磨液分解速率，酶的催化效率高于無機催化劑，酶的催化作用具有高效性。
3.催化劑只改變反應速率，不改變總反應中氣體的產量。
（二）設計思路
根據2017年高中生物新課標指出，生物學教學的基本理念應包括：學科素養為核心、課程內容少而精、教學內容重實踐、學業評價促發展。新課標對生物實驗教學專門提出實施建議，實驗設計應該多樣化。在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。教師應給學生提供機會學習生物學研究中的測量方法，實事求是地記錄、整理和分析實驗數據，定量表述實驗結果等。根據新課標的理念和要求，本堂課的具體設計如下（圖9）
五、實驗教學目標
新課標要求，教師要組織好各種觀察、實驗等探究性學習活動，幫助學生增加感性認識，克服對微觀結構認識的困難，使學生領悟科學研究的方法并習得相關的操作技能。結合生物個體水平的知識、化學和物理學知識以及學生的生活經驗，突破學習難點。鼓勵學生搜集有關細胞研究和應用方面的信息，進行交流，以豐富相關知識，加深對科學、技術、社會相互關系的認識。
通過本實驗，期待學生主要在理性思維的形成和科學探究意識等方面得到發展：
（一）理性思維
1.能夠基于教材原型實驗演示現象，通過歸納和概括，理解酶的高效性；
2.尊重事實和證據，以嚴謹務實的求知態度，在設計并實施實驗中探討與過氧化氫及過氧化氫酶相關的問題
3.養成用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。
（二）科學探究
1.能夠發現生活中與過氧化氫分解相關的問題，并能小組合作，進行實驗設計、方案實施以及結果的交流和討論的能力。
2.在探究中，樂于并善于團隊合作，勇于創新
六、實驗教學內容
1．通過觀察演示實驗，分析實驗結果，學習對照實驗設計基本原則，理解酶的高效性
2．利用DIY反應器和DIS系統，對教材原型實驗進行新實踐，讓學生體驗數字化裝備的優勢，學會根據曲線變化進行分析，得出相應的結論。
3．小組合作，利用新裝備進行自主探究，設計實驗方案時，注意單一變量原則的應用。
4．拓展研究，如何新裝置研究溫度對過氧化氫分解速率的影響？如何使反應整體加速，盡早看到各組氣壓峰值？
七、教學過程
本課分為課前準備、課堂教學和課外延伸三個階段。
（一）課前準備
布置所有同學課前自主預習教材核心概念及教材原型實驗的方法和步驟；小組長熟悉數字化信息系統的基本操作，組織組員對本組想要探究的問題進行討論，并且仿照教材實驗，設計基本實驗方案；生物興趣小組的同學準備演示實驗。
（二）課堂教學
1、演示原型實驗：興趣小組同學演示教材原型實驗，其他同學分析實驗現象，得出結論，并討論確立對照實驗設計的原則。
2、原型實驗新體驗：學生利用DIY反應器和DIS系統，體驗比較酶和無機催化劑催化效率的差別實驗，觀察現象，引導學生分析實驗所得數據，得出相應結論。
3、自主探究：小組對本組課前的實驗方案進行修訂，選取某一組修改后的方案全班評價或小組互評，確保實驗方案符合對照試驗設計的基本原則等。各小組利用數字化信息系統完成本組探究實驗，分析所得數據，嘗試得出結論。
（三）課外延伸
課后進一步思考：如何新裝置研究溫度對過氧化氫分解速率的影響？如何使反應整體加速，盡早看到各組氣壓峰值？
八、實驗效果評價
1.數字化信息系統的應用將傳統實驗和現代信息技術有效的整合起來，拓展了科學實驗探究的手段和方法。利用傳感器對生物反應進行監測已經有一定的研究成果，然而在具體實施過程中，如何讓實驗裝置和操作更簡捷，更符合中學課堂需求，這應該是實驗教學研究的方向之一。本實驗中的DIY反應器能夠很好的改進實驗過程中反應器“爆瓶”、氣密性要求高、各組反應需同時開始等問題，并且通過預實驗對反應底物的濃度和用量提出建議，顯著提升了實驗的可行性、直觀性和時效性。
2.將教材中簡單的定性實驗變為定量實驗，給學生提供學習生物學研究中的測量方法的機會，實事求是地記錄、整理和分析實驗數據，定量表述實驗結果等。
3.以科學方法訓練為重要線索的探究活動，有利于培養學生創新思維和實踐能力。學生通過小組合作探究，既發展了探究能力，又提高了實驗操作技能和數據采集、分析能力。部分小組探究的結果還能為實驗教學提供參考，比如其他替代性材料的選用、冷凍儲藏肝臟對酶活性有無影響等。
4.體現學科間的聯系，自然界是一個統一的整體，自然科學中的物理學、化學、生物學等各門學科，其思維方法、基本原理、研究內容等有著密切的聯系。同時，生物學和數學、技術、工程學、信息科學是相互作用、，共同發展的。此實驗課將物理、化學、生物，以及現代信息技術橫向聯系起來，有利于學生理解科學的本質、科學的思想方法和跨學科的科學概念和過程，這將有利于建立科學的生命觀，逐步形成正確的世界觀，發展生物學核心素養。
向陽 湖南師范大學附屬中學
視頻來源：優質課網 www.jjlqy.cn
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