劉霖：“過氧化氫分解”實驗裝置的改進
時間：2025-07-09 來源：
“過氧化氫分解”實驗裝置的改進
成都冠城實驗學校 劉 霖
隨著計算機技術的發展，在現實教學中，有教師將難以開出的實驗用計算機替代，更甚者直接講實驗，這樣與新課標精神背道而馳，不利于學生生物科學素養的提高。在這樣的背景下我們提出了生物實驗改進的研究。
針對“比較過氧化氫在不同條件下的分解”這一實驗，我們的改進主要從兩個方面著手，一是從實驗原材料入手進行改進，二是從實驗裝置入手進行改進。
本課題在已有的實驗基礎上進行改進，從實驗材料、實驗裝置和實驗藥品、實驗步驟等方面入手進行改進，尋找可以優化實驗的可能。
本研究通過分析該實驗存在的不足，從實驗材料、實驗裝置等方面出發對該實驗進行改進。通過探討實驗材料的替換和實驗裝置的改進，利于培養學生的實驗動手操作能力與合作學習的能力，方便教師的教學，節省時間經費。
實驗的改進中，安全性是首要問題，這里的安全主要是教師和學生的人身安全，改進實驗時盡量不要涉及高溫、高壓、強電流、易燃易爆和劇毒等。
科學性原則是指在設計實驗時必須有充分的科學依據，否則后續的其他工作便無任何意義。
學生在進行實驗時，可能會出現各種各樣的錯誤，如果學生實驗的成功的次數比較低，不僅不能讓學生在知識技能方面有所提高，甚至還有可能挫傷學生對生物學科的信心與興趣。
實驗的教育價值往往與實驗裝置的復雜程度成反比，因此實驗宜簡不宜繁，過于復雜的實驗裝置還可能分散學生的注意力。因此在進行探究性實驗設計時，教師應盡量提倡設計簡便易行的實驗。
改進的實驗現象要明顯，要和改進前的實驗對比實驗現象，如果改進后的實驗現象比不上改進前的，這樣的改進是無效的。
改進后的實驗要盡可能地節省實驗材料、實驗試劑等，避免不必要的開支，最大程度地降低實驗成本。
要改進實驗材料，大體思路為因地制宜，選擇具有代表性、又易于觀察、實驗效果好的材料，或者選擇當地有特色、常見的、便宜的材料。
對實驗藥品進行改進，大體思路為量的改變、濃度的改變、溶質的改變、染色劑的改變。而實驗裝置的改進大體思路為簡便易行、生活化、降低危險性。
實驗步驟的改進大體思路為在不影響實驗效果的情況下減少步驟或增加步驟使實驗現象更明顯，改換實驗的順序。
經過實驗過程，發現該實驗在過程中存在以下不足：1.肝臟研磨液，新鮮肝臟的獲取需要當天采購，不能長時間保存，研磨之后器材不易清洗；2.教材中是在反應發生2～3分鐘后才將衛生香放入試管上方，等待時間稍長，氧氣可能已經逸出，從而導致不能觀察到明顯現象；等待時間太短，瞬時產生的氣體又有可能導致衛生香熄滅；3.實驗中采用明火，具有一定安全隱患；4.不易捕獲和對比實驗。
教材上采用的是新鮮的肝臟（如豬肝、雞肝）。此次實驗用到的是新鮮豬肝。
25mL量筒1個，5mL量筒1個，膠頭滴管2個，大試管4支，小試管4支，燒杯若干，單孔橡膠塞4個，橡膠管4個，透明大水箱1個，試管架1個，鐵架臺1個，研缽1個。
新配制的體積分數為3％的過氧化氫溶液，質量分數為3.5％的FeCl3溶液。
取4支潔凈的試管，分別編上序號1、2、3、4，向各試管內分別加入2mL過氧化氫溶液，按序號依次放置在試管架上。將2號試管放在90℃左右的水浴中加熱，觀察氣泡冒出的情況，并與1號試管作比較。向3號試管內滴入2滴FeCl3溶液，向4號試管內滴入2滴肝臟研磨液，仔細觀察，并記錄實驗結果。立即將點燃的衛生香分別放入3號和4號試管內液面的上方，仔細觀察，并記錄實驗結果。
用4支潔凈的試管，分別編號①、②、③、④，向各試管內分別加入2mL過氧化氫溶液，按序號依次將①、②、③號試管分別放置在同一試管架上，④號試管固定在鐵架臺上，保證4支試管在同一水平高度。4支試管分別設置單孔橡膠塞，橡膠管一端連接單孔橡膠塞，一端導入盛滿水的透明大水箱中，并伸入透明水箱中盛滿水倒立的試管中。
將先買的肝臟用研缽研磨，取20mL肝臟研磨液和80mL水配制質量分數為20％的肝臟研磨液。
第一，組裝實驗裝置。
第二，通過膠頭滴管向①號試管滴加2滴新鮮的質量分數為20％的肝臟研磨液，觀察氣泡冒出情況。
第三，通過膠頭滴管向②號試管滴加2滴質量分數為3.5％的FeCl3溶液，觀察氣泡冒出情況，充分反應1分鐘后收集產生的氣體。
第四，③號試管不做任何處理，1分鐘后收集產生的氣體。
第五，將④號試管放在90℃左右的水浴中加熱，觀察氣泡冒出情況，1分鐘后收集產生的氣體。
第六，反應相同時間后拿出收集氣體的試管，觀察產生氣體的多少。對收集的氣體進行記錄，分別記為A、B、C、D。
通過實驗能明顯看出使用過氧化氫酶的①試管產生的氣體即A試管中收集到的氣體最多，使用FeCl3溶液的②試管產生的氣體即B試管中收集到的氣體其次，沒做任何處理的③試管產生的氣體即C試管看不見明顯的變化，加熱處理的④試管產生的氣體即D試管中收集的氣體不多。
四支試管中的過氧化氫分別在不同條件下分解，充分反應1分鐘后收集產生的氣體。①、②、③、④四支試管中的過氧化氫在不同條件下分解后，能明顯看到連接①試管的A試管收集到的氣體是最多的，依次是連接②試管的B試管，連接④試管的D試管，連接③試管的C試管，實驗現象明顯。通過實驗，A試管氣體產生迅速，B試管緩慢產生氣體，C試管在肉眼下看不見明顯現象，D試管隱約能看見產生氣體。
加熱，FeCl3溶液和肝臟研磨液里面的過氧化氫酶對過氧化氫都有催化作用，但最快的是過氧化氫酶，其次是FeCl3溶液，最后是加熱。
改進后的實驗用排水法收集氣體，將實驗改成了定量實驗，通過比較相同時間內試管中收集的氧氣的多少，就可以看見過氧化氫在不同條件下的分解速度，通過此方法將過氧化氫的分解變成了肉眼可見的現象。通過該裝置，也讓實驗操作更為規范，同時避免了明火的危險程度，降低學生受到傷害的可能性。
本次實驗中用的肝臟研磨液是用新鮮的豬肝研磨而成。在實驗過程中發現，研磨豬肝過程復雜，且浪費嚴重，實驗后研磨的器具也不易清洗，而肝臟研磨液在長時間放置后，其內的過氧化氫酶會因為溫度等的變化而導致酶的活性下降，數量減少，不利于實驗，肝臟也不易保存，長時間冷藏也會影響肝臟中過氧化氫酶的活性。還有學生出于宗教信仰原因，拒絕使用豬肝為實驗材料，肝臟成本也較高。
而針對以上問題進行改進，要選擇含過氧化氫酶含量高的材料來進行改進，再通過和肝臟研磨液的效果對比，以此來確定是否可以進行材料的替換。菠菜、韭菜、胡蘿卜、黃瓜、土豆、香蕉等都是富含過氧化氫酶的材料，在以上的材料中設計實驗，并和肝臟研磨液的效果相比，在多方比較下最終沒有選擇替換肝臟研磨液。
按照教材中“比較過氧化氫在不用條件下的分解”實驗的步驟4來觀察衛生香燃燒的猛烈程度。在經過2～3分鐘后，試管中的氧氣已經逸出到空氣中，實驗現象不明顯。該實驗的實驗儀器是試管，是敞口的，不易收集。同時和其他裝置相比較，U型管裝置中要觀察到明顯的現象需要克服裝置中水的重力，然后才能看見水柱的移動。而本次實驗的改進是將不同的條件結合在一起，實驗裝置組合在一起進行共同觀察，通過相同時間內收集的氣體的多少直觀地反映過氧化氫的分解速度，實驗現象會更明顯。通過比較觀察不同催化劑對過氧化氫的分解速度，學生操作更方便，更規范，避免了明火的出現，降低了危害性。
本次實驗中所采用的裝置也存在不足之處，產生的氣體在進入收集裝置過程中的損耗，產生的氣體太少也不能觀察到明顯的現象，針對產生氣體太少的情況，可以選擇加大過氧化氫的劑量，相應地就會造成浪費，或者選用更小的裝置來減少過程中的損耗。
通過實驗，學生自然而然地從初中生物學知識過渡到高中生物學知識的學習中，在很大程度上提高和豐富了高中生的生物科學素養。學生在實際實驗操作當中的交流、合作、探究，進一步鍛煉和培養了高中生的口頭語言表達能力、創新能力、實踐能力，同時有助于學生良好學習習慣的養成。
（作者系成都冠城實驗學校教師，該文2024年在成都市中學生物優秀論文評選中獲一等獎）
