比较过氧化氢在不同条件下的分解实验,的教学设计
郝帅晶 赵晨霞 李晓兰
摘 要：本实验按照教材中“目的要求—材料用具—方法步骤—讨论—结论”的框架实施，要求学生在该框架下进行实验，通过比较、分析实验现象，归纳、概括得出实验结果。在分析课标、教材、学情的基础上，制定出本节课的教学目标，依据教学目标和参考文献，优化和改进实验设计，并选取合适的实验材料和实验仪器，让学生熟悉实验过程，带领学生组装实验装置，并进行实验操作，观察实验现象、推测实验结果，完成课堂教学活动。旨在通过改进的实验方案加快学生对教学内容的掌握，培养学生团结协作能力，同时能直观感受实验现象的变化过程，注重实验细节，体会量变带动质变的过程，提升教学效果。
关键词：过氧化氢分解;组装实验装置;团结协作;教学设计
中图分类号：G423 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2022）04-0001-04
1 教學设计思路
1.1 设计理念
结合《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》）中生物学课程目标达成的途径，即学生要主动地参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维习惯和积极的科学态度，掌握科学探究的思路和方法，发展终身学习及创新实践能力[1]。运用“5E（引入、探究、解释、精致、评价）”教学模式，联系生活实际，选取容易购置且实验现象明显的实验材料香菇，目的是为了达成《课程标准》中要求的重要概念，即酶能降低化学反应的活化能。
1.2 设计思路
比较过氧化氢在不同条件下的分解实验的目的在于让学生通过对比不同实验处理下过氧化氢分解的进程，了解过氧化氢酶的作用[2]。按照教材给定的框架进行实验设计，学生通过对过氧化氢分解的判断是通过气泡的多少以及观察卫生棉复燃的情况来获得实验结果，虽然在结果产生的过程中对现象的观察有可比性，但学生需要仔细观察其中的变化过程才能给出较准确的描述，直观性差。教材中的实验材料是新鲜的肝脏，虽然购置的肝脏可以通过冷藏或冷冻的方式进行保存，但无法保证肝脏中过氧化氢酶的活性，并且由于肝脏取自动物体内，部分学生对动物保护具有较强的意识，难以接受用动物肝脏进行实验，为了保证实验的正常开展以及全体学生参与，必须对教材中的实验进行优化和改进。在本实验中，锻炼学生使用科学方法“控制变量和使用对照实验”也是难点之一。笔者通过查阅文献指导本实验的设计思路，尝试解决开展该实验遇到的困境。关于实验材料，部分研究者尝试使用植物研磨液来代替新鲜肝脏研磨液，如胡萝卜、土豆、香菇、青椒、苹果、洋葱等。其中土豆研磨液[3]和香菇研磨液[4]是较好的过氧化氢酶的材料来源。笔者分别对土豆研磨液和香菇研磨液进行了预实验，发现香菇研磨液产生气泡的速度更快。因此，本实验过氧化氢酶的供体选择了香菇。关于实验结果如何量化的问题，不少研究者尝试用小气球[5]和注射器[6]来收集气体，借此将结果量化，使学生直观地感受到过氧化氢分解的快慢。笔者分别用小气球和注射器进行了预实验，发现注射器组装集气装置存在缺点，即由于注射器针孔较小，气体容易在装置内产生较大的压力，导致装置漏气;或者由于使用的注射器体积小且活塞摩擦力小，压力过大时活塞脱离针管;或注射器活塞摩擦力过大而影响活塞的活动，最终影响了实验现象的观察。综合考量后选择用小气球来收集本实验中产生的气体。关于科学方法如何在教学中渗透这一问题，笔者尝试设计表格，让学生在完成实验操作后，填写表格，分析实验中的“自变量”“因变量”“无关变量”“对照组”“实验组”，帮助学生理解控制变量和设计对照实验。
2 制定教学目标
2.1 课标分析
在生物学课程教学中，实验教学发挥着不可忽视的作用，是培养学生生物学学科核心素养的重要途径之一。《课程标准》要求教师在教学中加强和完善实验教学，在进行教学时要尽量采用多样化的实验设计，让学生在量的变化中了解事物的本质，并注意实验安全教育[1]。
《课程标准》规定本节课学习的重要概念是“酶能降低化学反应的活化能”[1]，为此，教材中设计了“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的探究实验和“酶降低化学反应活化能示意图”[2]。因此，本节课对于学生理解酶在新陈代谢中的作用机制以及理解“酶能降低化学反应的活化能”这一重要概念起到十分重要的作用。
2.2 教材分析
探究实验“比较过氧化氢在不同条件下的分解”是人教2019版高中生物学教材必修1第五章第1节的内容[2]，不仅让学生认识到酶是细胞代谢中的重要载体，而且让学生理解酶的催化作用，理解酶本身在催化反应前后并未发生变化。
教材中实验按照“目的要求—材料用具—方法步骤—讨论—结论”程序进行[2]，在学生的讨论与交流之后得到实验结果，教师在教学时创造让学生运用“比较”“分析”“归纳”“概括”等科学方法解决实际问题，有效地进一步发展学生的科学思维。
教材中编排了“科学方法”栏目“控制变量和设计对照试验”，详细介绍了“变量”“自变量”“因变量”“无关变量”“对照实验”的概念以及设计对照实验的原则，“除自变量外，其余变量都要保持一致，并且要将因变量进行对比分析”，为学生在学习中掌握自主设计对照实验打下理论基础[2]。
2.3 学情分析（见表1）
2.4 教学目标
在分析《课程标准》、教材以及学情的基础上，根据课标的内容以及对学生的要求，符合学业质量标准，并围绕培养学生的生物学学科核心素养，制订本节课的教学目标：
通过分析过氧化氢及过氧化氢酶的相关资料，归纳、概括过氧化氢酶在细胞代谢中的作用。
通过观察不同实验处理下过氧化氢溶液的状态，推测过氧化氢分解的快慢，科学地分析自变量与因变量之间的关系。
通过参与实验并与他人合作交流，能够清晰地表达自己的感想，认同集体的力量可以帮助我们有效地完成任务。
3 教学过程
3.1 课前准备
3.1.1 制备3%过氧化氢溶液和香菇研磨液
实验室中只有浓度30%的过氧化氢溶液，将其稀释即可获得浓度为3%的过氧化氢溶液。
香菇研磨液由教师在实验课开始前研磨后备用，确保每组同学使用的香菇研磨液中过氧化氢酶的含量及活性相同，剔除前期操作差异产生的实验结果。
3.1.2 实验器材的选择
本实验选用250mL抽滤瓶作為反应装置，小气球为集气装置。通过观察小气球的变化判断过氧化氢的分解快慢，为了确保实验的顺利进行，教师应在实验前测试气球的密闭性，并为各组提供颜色一样的气球，避免色彩的差异和视觉的差异影响实验结果。实验开始前将小气球用皮筋套在抽滤瓶的抽滤嘴上，排尽小气球中气体，保证实验开始前实验条件的一致。
3.1.3 预试验
预实验可为正式实验奠定基础，检验实验的可操作性，避免因设计不合理等原因造成实验失败。教师进行预试验，不仅有助于检测实验的可行性和科学性，还有助于熟悉实验过程，了解实验所需时间等，为本实验课做好实验安排和设计。图1—图3分别为过氧化氢溶液（左：过氧化氢酶处理下，右：FeCl3处理下）在实验开始、实验中期、实验后期反应的实验现象。
3.2 实验教学主要环节
3.2.1 课前分组
教师根据“组间同质、组内异质”的分组原则，将学生3-4人分为一小组。
3.2.2 导入
教师用PPT展示有关过氧化氢对细胞代谢影响的资料，播放过氧化氢在体外分解的视频。随后教师指导学生阅读、分析资料，引导学生思考以下问题：（1）怎样的实验处理会使过氧化氢溶液的状态发生改变，导致过氧化氢分解？（2）不同实验处理下过氧化氢的分解速率一样吗？（3）过氧化氢在生物体内和生物体外分解的条件有何不同？
3.2.3 实验目的、原理
教师指导学生阅读教材第77页有关实验原理、实验目的等相关内容，并在黑板上板书过氧化氢分解化学反应式：2H2O2-2H2O+O2↑。教师引导学生思考本次实验需要什么器材以及如何判断过氧化氢分解的快慢。
随后向学生介绍本次实验选择香菇作为过氧化氢酶供体，使用小气球和抽滤瓶的原因。
3.2.4 实验器材
教师依次展示实验器材，学生对照教师的讲解，检查组内的实验器材是否齐全。
3.2.5 实验过程
第一步，教师将准备的两支试管展示在学生面前，两支试管中分别加入2mL浓度为3%的过氧化氢溶液，1号试管不做处理，2号试管放于90℃的水浴锅中，请一位同学描述实验现象。学生根据观察到的现象如实描述并推测温度对过氧化氢分解的影响。
第二步，请同学们思考：细胞内的过氧化氢可以用加热的方式进行分解吗？为了加快反应的进行，初中化学中学过可以使用催化剂，对于体内酶的分解速率和催化剂催化的分解速率进行比较，哪个的分解速率更快？讲解本实验中的反应装置和检测装置。请同学们以小组为单位组装反应装置，参考表格中试剂的量进行实验。
第三步，请各小组选择一名同学拿两支小试管到讲台上抽取FeCl3溶液和香菇研磨液各2mL;其他同学分别对两支抽滤瓶进行编号，在抽滤嘴处捆绑小气球，并分别向两支抽滤瓶中各加入20mL过氧化氢溶液。待所有准备工作完成后，两名同学同时将小试管中2mL的FeCl3溶液和香菇研磨液分别倒入1号和2号抽滤瓶中，快速用软塞将抽滤瓶瓶口塞紧，轻轻震荡，使催化剂与底物充分反应。
第四步，请同学们仔细观察气球的变化并描述实验现象，推测无机催化剂和酶对过氧化氢分解速度的影响。
第五步，请各小组成员根据组内的推测结果，并结合其他组分享的实验过程和结果，分析实验中存在的问题，探讨实验现象，组间对比，查找和总结本组实验的优势和不足。
3.2.6 渗透科学方法
教师指导学生阅读教材第78页“科学方法”栏目“控制变量和设计对照实验”，完成表2。
学生先自主填写表格，随后通过师生互动、生生互动（组内、组间交流讨论）完善表格。思考和探究生物学研究采用的科学方法[7]。
3.2.7 课堂小结
教师汇总学生实验情况、讨论交流结果，总结过氧化氢在体内、体外分解的特点以及在不同条件下分解速度等。强调对照实验中控制变量和单一对照原则。布置课后任务，完善实验报告单。
4 教学反思
4.1 教学设计中充分体现以学生为中心
本实验使用了3%浓度的过氧化氢溶液，包含加热分解过氧化氢、点燃木条等实验过程。由于过氧化氢具有一定的腐蚀性，加热分解过程可能会烫伤学生、点燃木条使用明火具有一定的危险性，这些操作过程的不当可能会引起安全事故。为了让学生在相对安全的情况下进行实验操作，尽量避免安全事故的发生，过氧化氢溶液的稀释由教师课前完成，过氧化氢的热分解实验由教师课堂演示，学生观察现象并描述，调动学生的积极性。在实验过程中加入过氧化氢时，让学生佩戴一次性手套，避免皮肤接触过氧化氢而受到伤害。在整节课中，学生自己做实验、描述实验现象、总结实验规律、进行实验反思、表达与交流都充分体现了探究实验的意义，即把课堂还给学生，让学生做课堂的主人。
4.2 将卫生香验证氧气量的环节改为用小气球集气
气球集气的过程相对于卫生香验证氧气量来说，既保证了学生的安全，也让实验现象更加直观，让课堂动起来，激发学生学习的积极性。
4.3 用香菇研磨液代替肝脏研磨液
选用香菇研磨液代替肝脏研磨液，解决了肝脏难保存、学生排斥使用肝脏做实验等问题，确保学生全员参与实验并保证实验顺利进行。
4.4 使用抽滤瓶作为反应装置
抽滤瓶独特的结构，可以直接将小气球连接其上收集气体，简化了集气装置连接的繁琐步骤，同时250mL抽滤瓶为底物与催化剂的结合提供了充分的空间，让反应更加彻底，现象更加明显，而且还可以避免因为压力过大导致气球涨破。
4.5 整理学生的实验报告，进行教学反馈
学生所完成的实验报告集合了学生在本节实验课中的基本思考过程和实验过程，是学生对本节课的学习成果的展示。根据实验报告，教师总结分析学生在实验过程中的问题，可采用集中反馈和单独反馈结合的方式让学生及时反思自己在实验过程中的优点和不足，并给出合理的解释，为以后的实验操作和学习情况的把握奠定基础，同时根据学生集中出现的问题对教学设计进行调整和完善，达到更好的教学效果。
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参考文献：
〔1〕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[M].北京：人民教育出版社，2020.57-59.
〔2〕朱正威，赵占良.普通高中教科书：生物学：必修1分子与细胞[M].北京：人民教育出版社，2019.74.
〔3〕王芳.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验失败原因分析及改进[J].生物学教学，2010，35（08）：47.
〔4〕耿旭珂，岳建明.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验改进[J].生物学通报，2019，54（03）：42-43.
〔5〕余雅翎，王桔红，张燕芳，万紫微.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验材料与装置的改进与创新[J].中学生物学，2019，35（12）：34-35.
〔6〕袁晓娟，禹萍.巧用注射器优化“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验[J].中学生物教学，2018， 34（17）：53-54.
〔7〕黄伊琳，李洪清.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验改进综述及思考[J].中学生物教学，2021，16：14-16.
收稿日期：2021-12-18
通讯作者：李晓兰（1977-），内蒙古赤峰人，教授，主要从事生物教育、生态学相关研究。
基金项目：赤峰学院一流学科建设项目（CFXYYLXKB202102）
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