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视频标签：全国高中生物,实验教学,微课视频录像
所属栏目：模拟课、微型课及试讲
视频课题：第五届全国高中生物实验教学微课视频录像《利用“DIY+DIS”系统自主探究过氧化氢的分解》湖南
教学设计、课堂实录及教案：第五届全国高中生物实验教学微课视频录像《利用“DIY+DIS”系统自主探究过氧化氢的分解》湖南师大附中高中生物
利用“DIY+DIS”系统自主探究过氧化氢的分解
湖南师大附中 向 阳
一、使用教材
人教版高中《生物》必修1《分子与细胞》第五章第一节“降低化学反应活化能的酶”。
二、实验器材
1.实验器具
DIY反应器、DIS系统、试管架、试管、玻璃盐水瓶、量筒、滴管、烧杯、火柴、卫生香等
2.实验试剂
新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液、体积分数为3%的过氧化氢溶液、质量分数为3.5%的FeCl3 溶液、清水。
3.实验材料
各小组自主探究所需材料（20%冷冻猪肝研磨液、20%不同辣度的辣椒研磨液、20%土豆研磨液、5%氢氧化钠、5%盐酸等）。
三、实验创新要点/改进要点
（一)“DIY”反应器（Do It Yourself）
1. “DIY”反应器的组成：由如图1所示的五个部分组成。
①反应容器:选用50ml翻口塑胶塞盐水瓶，与一般试管相比，盐水瓶能有效防止气压过高时瓶塞爆出的现象；
②三通管:选用输液针管的穿刺器改造而成，可以在保障气密性的前提下实现三通效果；
③单向阀:由输液针管改造而成，既可以单向注入底物，有效防止瓶内气压增大时，注射器活塞回退现象；
④底物加注器:选用5ml注射器针筒，直接用注射器吸取过氧化氢溶液，既可以简化等量取样的程序，又为同时加注底物提供可能性。
⑤同时加注支架:选用小号试管架的部分部件，当实验组较多时，可实现底物同时加注，实现反应同时开始。
2.“DIY”反应器改进要点
（1）教材原型实验分析
教材上的实验原理为过氧化氢分解后可产生具有助燃功能的氧气，但在常温下分解速率很慢，用带火星的卫生香检验，卫生香不复燃；单独加热过氧化氢溶液，用带火星的卫生香检验，长时间加热沸腾后，带火星的卫生香火星变得明亮但不复燃，说明过氧化氢在加热时分解了，但速率较慢；在过氧化氢溶液中加入不同的催化剂，通过对比卫生香的燃烧程度比较不同催化剂的效率，燃烧越剧烈，效率就越高。
在实践中发现，教材实验原型存在以下几点不足：
①该实验使用的实验仪器是敞口试管，新鲜的肝脏研磨液（含大量的过氧化氢酶）催化分解过氧化氢的速度极其迅速，如果滴加的量稍多，瞬时产生的大量泡沫有时会飞溅出来，有安全隐患;
②实验步骤 4 ，“2~3 min 后，将点燃的卫生香分别放入3 号和 4 号试管内液面上方，观察哪支试管中的卫生香燃烧猛烈”，从而比较无机催化剂和过氧化氢酶的催化效率。由于该实验用的是敞口试管，等待时间稍长，试管内的氧气已有部分泄露到空气中，导致观察到的现象不明显。若缩短等待时间，由于过氧化氢分解后会产生含水量很高的气泡，带火星的卫生香深入试管，不但不复燃，反而会熄灭的现象。
③该实验是将过氧化氢溶液置于不同的环境中，实际操作时，难以实现同时进行，从控制无关变量的角度考虑，还有改进空间。
（2）DIY反应器改进要点：
①开放改为密闭：将原本敞开反应器改为密闭的反应器，避免产生泡沫飞溅、氧气泄露等问题；
②“目测”改为“传感”：将反应器与数字化信息系统相连，精确测量气压值，通过比较曲线图，直观体验酶的高效性；
③特殊装备“防爆”：如果用试管、分支试管或小锥形瓶作为反应器，按照教材上过氧化氢的浓度和用量，加入猪肝研磨液的试管，很快就会出现橡胶塞爆出的现象。一旦“爆瓶”，瓶内气压迅速下降，实验失败（图3）。降低过氧化氢浓度或者增大反应器体积可以解决“爆瓶”问题，经实验反复验证，在体积为50ml的反应器内，2滴20%的新鲜猪肝研磨液和3%过氧化氢溶液1ml混合后，基本不会“爆瓶”，但是如果增至2滴新鲜猪肝研磨液或者2ml过氧化氢溶液，则极易发生“爆瓶”现象。然而，在降低底物浓度的同时，要考虑到总反应速率过慢，而课堂时间有限。盐水瓶的反口橡胶塞承受气压值的能力远远高与普通单孔橡胶塞，可以有效防止“爆瓶”，减少学生自主探究的条件限制。
④巧设单向阀门：在实验探索的过程中，发现反应开始后，试管中气压升高会使注射器活塞出现回退现象，必须一直按住。在注射器和试管之间增加单向阀，可以有效防止气体导致活塞回退。
⑤实现实验同时开始：如果实验组比较多，“同时加注支架”就可以发挥作用，实现实验同时开始。首先让所有注射器处在同一平面上，然后同时按压，减少时间差带来的误差（图1中⑤为同时加注支架）。
⑥气密性标准高：由于要精确记录反应器内气体压强的变化，对数据进行定量分析，如果容器气密性不够好，实验难以成功。本实验的反应器瓶口可以同时满足既有入口添加底物，又有气体出口与气压传感器相连，达到三通效果。
由分支试管搭配单孔橡胶塞、锥形瓶搭配双孔橡胶塞和玻璃导管（图4），就能实现三通，但很难达到增压条件下的气密性要求。以分支试管为例，在其分支上加橡皮管与传感器相连，试管口用玻璃导管和橡皮管与注射器相连。实践时发现，一是管口玻璃管与橡胶塞接缝在气压较高时容易出现气体泄漏，二是该试管分支上的橡皮管与传感器软管难以实现无缝对接，我曾尝试用滴管玻璃头，勉强匹配实现要求，但是每次重复实验都要将分支试管的橡胶塞以及传感器接口拆除，且清洗时，分支内不能有水分残留，以免下次实验时污染传感器。玻璃导管和滴管玻璃头都是玻璃制品，学生操作容易出现破损，不够安全。
本实验采用一次性输液穿刺器与翻口塑胶塞，并且选用各种尺寸的透明软塑管进行连
接，能有效防止气体泄漏，气密性标准高。
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图3 “爆瓶”前后气压曲线 图4 锥形瓶和分支试管 |
（二）DIS系统的应用
1.DIS系统的组成
“DIS”系统（Digital Information System）即数字化信息系统，由“传感器＋数据采集器＋计算机”三部分构成。 该实验系统最根本的特点是将实验过程或现象转化为可检测的物理信号。本实验中，就是利用压力传感器将不同组反应器内的气压变化值转化为曲线图，使反应结果的呈现实时化、精细化（图5）。
2.使用DIS系统的主要优势：
①将定性实验改为定量实验：2017版高中生物新课标提出“生物学的研究经历了从现象到本质、从定性到定量的发展过程。当今，它在微观和宏观两个方向的发展都非常迅速，并且与信息技术和工程技术的结合日益紧密，正在对社会、经济和人类生活产生越来越大的影响。”本实验采用先进的 DIS 实验系统，通过气压传感器实时测量过氧化氢分解反应放出氧气的气压，利用气压变化快慢与氧气放出速率成正相关的关系，实时显示不同条件下过氧化氢分解速率的差异。
②结果呈现直观、迅速：系统及时记录反应开始后每一时刻反应器内气压的变化值，并可以以表格、曲线图等不同形式展现，且有利于提高学生获取信息、分析数据的能力。
③操作简单，易于重复：重复实验只需更换反应器内的底物即可，与排水集气法和利用U型管液面高度差来研究为例，实验结束后不需要处理集气端仪器或使液面恢复平衡，因此，从时效性来看，更适合在课堂上开展小组合作探究。
④数据精细，利于分析：能够观测到猪肝组和氯化铁组气压值，在一段时间之后趋向一致，能够帮助学生理解酶的催化作用只改变反应速率，不改变气体产量。(图6)
图6 ABC三组过氧化氢分解速率的比较
（A为猪肝组、B为氯化铁组、C为清水组） |
（三）自主合作探究的授课形式
1.问题分析
教材中原实验，是给定实验材料、实验方法和步骤，学生只需要按部就班地进行实验，通过对实验方案的分析，掌握设计对照实验的原则，理解对照实验、变量等概念。学生没有自主探究的机会。
2.改进与创新
将探究性实验与验证性实验相融合，首先通过教材原方案的新实践，理解酶的高效性，理解对照实验的设计原则等，再通过小组合作，完成自主探究。
由于对装置的改进，学生可以运用该装置开展很多定量实验，学生探究积极性高。探究性试验与验证性实验相比，有利于学生克服思维定式的束缚，更有利于学生的探索精神和创造性思维的培养。实验的成功与失败都会引起学生注意，进而探索实验材料的选择等，培养了学生的思维能力、分析解决问题能力以及实验创新能力。
表1：某班部分兴趣小组探究的问题
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组号 |
探究的问题 |
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1 |
不同浓度的过氧化氢溶液在相同条件下分解速率有何差异？ |
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2 |
土豆和猪肝中过氧化氢酶含量有差别吗？ |
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3 |
冷冻过的猪肝和新鲜猪肝，其过氧化氢酶催化效率相同吗？ |
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4 |
香蕉皮和香蕉果肉中过氧化氢酶含量有差别吗？ |
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5 |
过氧化氢酶活性会受酸碱环境变化影响吗？ |
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6 |
不同辣度的辣椒中过氧化氢酶含量有无区别？ |
图7 部分小组设计的实验方案（左、中为课前自主设计的方案，右为课堂讨论调整之后的方案） |
四、实验原理/实验设计思路
（一）实验原理
1.过氧化氢可以分解产生氧气，加热让过氧化氢分解释放氧气的速率大于常温下过氧化氢分解释放氧气的速率。
2.FeCl
3催化过氧化氢分解释放氧气的速率大于加热分解的速率，但低于肝脏研磨液分解速率，酶的催化效率高于无机催化剂，酶的催化作用具有高效性。
3.催化剂只改变反应速率，不改变总反应中气体的产量。
（二）设计思路
根据2017年高中生物新课标指出，生物学教学的基本理念应包括：学科素养为核心、课程内容少而精、教学内容重实践、学业评价促发展。新课标对生物实验教学专门提出实施建议，实验设计应该多样化。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。教师应给学生提供机会学习生物学研究中的测量方法，实事求是地记录、整理和分析实验数据，定量表述实验结果等。根据新课标的理念和要求，本堂课的具体设计如下（图9）
五、实验教学目标
新课标要求，教师要组织好各种观察、实验等探究性学习活动，帮助学生增加感性认识，克服对微观结构认识的困难，使学生领悟科学研究的方法并习得相关的操作技能。结合生物个体水平的知识、化学和物理学知识以及学生的生活经验，突破学习难点。鼓励学生搜集有关细胞研究和应用方面的信息，进行交流，以丰富相关知识，加深对科学、技术、社会相互关系的认识。
通过本实验，期待学生主要在理性思维的形成和科学探究意识等方面得到发展：
（一）理性思维
1.能够基于教材原型实验演示现象，通过归纳和概括，理解酶的高效性；
2.尊重事实和证据，以严谨务实的求知态度，在设计并实施实验中探讨与过氧化氢及过氧化氢酶相关的问题
3.养成用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。
（二）科学探究
1.能够发现生活中与过氧化氢分解相关的问题，并能小组合作，进行实验设计、方案实施以及结果的交流和讨论的能力。
2.在探究中，乐于并善于团队合作，勇于创新
六、实验教学内容
1．通过观察演示实验，分析实验结果，学习对照实验设计基本原则，理解酶的高效性
2．利用DIY反应器和DIS系统，对教材原型实验进行新实践，让学生体验数字化装备的优势，学会根据曲线变化进行分析，得出相应的结论。
3．小组合作，利用新装备进行自主探究，设计实验方案时，注意单一变量原则的应用。
4．拓展研究，如何新装置研究温度对过氧化氢分解速率的影响？如何使反应整体加速，尽早看到各组气压峰值？
七、教学过程
本课分为课前准备、课堂教学和课外延伸三个阶段。
（一）课前准备
布置所有同学课前自主预习教材核心概念及教材原型实验的方法和步骤；小组长熟悉数字化信息系统的基本操作，组织组员对本组想要探究的问题进行讨论，并且仿照教材实验，设计基本实验方案；生物兴趣小组的同学准备演示实验。
（二）课堂教学
1、演示原型实验：兴趣小组同学演示教材原型实验，其他同学分析实验现象，得出结论，并讨论确立对照实验设计的原则。
2、原型实验新体验：学生利用DIY反应器和DIS系统，体验比较酶和无机催化剂催化效率的差别实验，观察现象，引导学生分析实验所得数据，得出相应结论。
3、自主探究：小组对本组课前的实验方案进行修订，选取某一组修改后的方案全班评价或小组互评，确保实验方案符合对照试验设计的基本原则等。各小组利用数字化信息系统完成本组探究实验，分析所得数据，尝试得出结论。
（三）课外延伸
课后进一步思考：如何新装置研究温度对过氧化氢分解速率的影响？如何使反应整体加速，尽早看到各组气压峰值？
八、实验效果评价
1.数字化信息系统的应用将传统实验和现代信息技术有效的整合起来，拓展了科学实验探究的手段和方法。利用传感器对生物反应进行监测已经有一定的研究成果，然而在具体实施过程中，如何让实验装置和操作更简捷，更符合中学课堂需求，这应该是实验教学研究的方向之一。本实验中的DIY反应器能够很好的改进实验过程中反应器“爆瓶”、气密性要求高、各组反应需同时开始等问题，并且通过预实验对反应底物的浓度和用量提出建议，显著提升了实验的可行性、直观性和时效性。
2.将教材中简单的定性实验变为定量实验，给学生提供学习生物学研究中的测量方法的机会，实事求是地记录、整理和分析实验数据，定量表述实验结果等。
3.以科学方法训练为重要线索的探究活动，有利于培养学生创新思维和实践能力。学生通过小组合作探究，既发展了探究能力，又提高了实验操作技能和数据采集、分析能力。部分小组探究的结果还能为实验教学提供参考，比如其他替代性材料的选用、冷冻储藏肝脏对酶活性有无影响等。
4.体现学科间的联系，自然界是一个统一的整体，自然科学中的物理学、化学、生物学等各门学科，其思维方法、基本原理、研究内容等有着密切的联系。同时，生物学和数学、技术、工程学、信息科学是相互作用、，共同发展的。此实验课将物理、化学、生物，以及现代信息技术横向联系起来，有利于学生理解科学的本质、科学的思想方法和跨学科的科学概念和过程，这将有利于建立科学的生命观，逐步形成正确的世界观，发展生物学核心素养。
向阳 湖南师范大学附属中学
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
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