美國生物學(xué)教材中“物理和化學(xué)因素對細(xì)胞膜的影響”實驗的評析

章君果

(廣東省深圳市翠園中學(xué) 518003)

孫瑤瑤

(廣東省深圳市坪山外國語學(xué)校 518118)

1 實驗概述

“物理和化學(xué)因素對細(xì)胞膜的影響”探究實驗摘自美國中學(xué)生物學(xué)教材《生物學(xué)實驗手冊》(Biology:Laboratory Manual)[1]。該實驗的操作過程比較清晰，實驗過程的各個模塊都已經(jīng)明確呈現(xiàn)，具體實驗的操作步驟也都詳細(xì)列出。該實驗設(shè)置的模塊如下：學(xué)習(xí)目的、相關(guān)知識介紹、實驗前思考、實驗原理、實驗材料、實驗操作過程、分析與討論及拓展延伸。整個實驗的主要內(nèi)容可以概括為兩方面：實驗操作過程及實驗設(shè)問。

1.1 實驗操作過程 實驗操作過程主要從材料準(zhǔn)備、材料處理和數(shù)據(jù)處理三個方面進(jìn)行呈現(xiàn)。

(1)材料準(zhǔn)備 實驗提供以下材料和用具：甜菜根，清水，熱水，冰塊，蒸餾水，丙酮，甲醇， 等滲鹽水，小刀，試管，量筒，小燒杯，三角架，石棉網(wǎng)，溫度計，火柴，鑷子，顏色比色卡，計時器，冰箱，冷柜，分光光度計(實驗室沒有，可以不用該儀器測量)。材料準(zhǔn)備主要通過以下步驟和方法實施(表1)。

表1 材料準(zhǔn)備的方法

(2)材料處理 根據(jù)表2中設(shè)置的處理類型對材料進(jìn)行處理，在進(jìn)行實驗處理之前推測哪種處理方式對膜損傷最大，哪種最??？將預(yù)測排名填在表2中，溫度和有機溶劑處理分開進(jìn)行排名。

低溫處理時將5號試管放入5℃的冰箱中，將6號試管放入-5℃的冷凍柜中。若在你的實驗室沒有配置冰箱和冷凍柜，請將你已經(jīng)標(biāo)記好的試管交給老師幫助處理。30 min后，將甜菜樣品從冰箱和冷凍柜中取出，在室溫下，向每支試管各加10 mL的蒸餾水。靜置20 min后，從每支試管中取出甜菜樣品丟棄。

熱處理時從1、2、3、4號試管中取出甜菜樣品分別浸沒在70℃、55℃、40℃和20℃的熱水浴中1 min后，放回對應(yīng)試管中并在室溫下各加入10 mL蒸餾水。將1～4號甜菜樣品室溫下浸沒在蒸餾水中20 min后取出丟棄。若實驗室無法提供水浴條件，可用熱水中慢慢加入冰塊或冷水來調(diào)節(jié)開水的溫度，用鑷子輕輕處理甜菜組織，切忌操作時用力過度，避免損傷甜菜細(xì)胞。

參考表2中有機溶劑的處理，分別在7支試管中對應(yīng)加入10 mL有機溶劑，室溫條件下放置20 min并間斷性輕輕搖晃，直到將甜菜樣品取出丟棄。

表2 材料處理的方式

(3)數(shù)據(jù)處理 用顏色比色卡來確定樣品的顏色相對值，以數(shù)字0(無色)到10(最暗的紅色)來分別量化不同溫度處理下1～6號試管中溶液顏色和有機溶劑處理下1～7號試管中溶液顏色，并將小組的實驗結(jié)果用表格記錄，同時將小組實驗結(jié)果提供給老師便于計算班級數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)班級數(shù)據(jù)的最終平均值作出“溫度—顏色”曲線圖和“有機溶劑濃度—顏色”曲線圖。若有條件的學(xué)?？梢允褂梅止夤舛扔媮砝^續(xù)分析實驗數(shù)據(jù)，記錄溶液在460 nm處的吸光值，匯總班級數(shù)據(jù)，計算平均值，并繪制各樣品的“溫度—吸光值”曲線圖和“有機溶劑濃度—吸光值”曲線圖。

1.2 實驗設(shè)問 該實驗中的設(shè)問主要集中在“實驗前思考”“分析與討論”及“拓展延伸”三個模塊。這三個模塊設(shè)置的問題如表3。

表3 各模塊設(shè)置的問題

2 實驗特點分析

2.1 實驗的操作性強 該實驗在設(shè)計思路方面并沒有太高的要求，學(xué)生不需要根據(jù)參考資料和提示自己去組織實驗思路和制定實驗方案。實驗的思路及操作步驟在“實驗操作過程”模塊完整呈現(xiàn)，學(xué)生只要根據(jù)“清單式”的實驗步驟進(jìn)行操作。實驗操作的規(guī)范性成為該實驗的一個側(cè)重點，學(xué)生需要根據(jù)實驗的步驟清單一步一步完成實驗，最后得出準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。

從實驗設(shè)置和材料選擇方面分析，該實驗選取的材料都是學(xué)生比較容易獲得的材料，如甜菜根、不同溫度的水、丙醇、甲醇和等滲溶液等都是中學(xué)比較常見的材料和試劑。材料的準(zhǔn)備過程也非常詳細(xì)地列出并提示相應(yīng)的注意事項。材料處理中也提供了詳細(xì)的處理方法，強調(diào)了對自變量的設(shè)置和對無關(guān)變量的控制，學(xué)生只要根據(jù)要求注意材料處理中的細(xì)節(jié)。操作過程的最后一個環(huán)節(jié)是捕獲因變量并對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理是整個實驗操作過程中對學(xué)生要求相對較高的一個環(huán)節(jié)。捕獲因變量時需要學(xué)生用比色卡或者分光光度計獲得數(shù)據(jù)相對值，這要求學(xué)生需要理解比色法的原理，并要求學(xué)生設(shè)置表格記錄數(shù)據(jù)，且運用表格數(shù)據(jù)畫出“溫度—顏色”曲線圖和“有機溶劑濃度—顏色”曲線圖，同時理解曲線圖的意義。

從以上幾方面的分析可以看出，學(xué)生根據(jù)實驗提供的材料、步驟和方法進(jìn)行操作，非常容易上手，數(shù)據(jù)處理也是按部就班，難度不大，整個實驗的操作性比較強，學(xué)生可以自主在實驗室完成該實驗的操作過程。

2.2 實驗問題設(shè)置多樣化 從表3可以看出，整個實驗設(shè)置了大量的問題，主要集中在“分析與討論”模塊。實驗設(shè)問突顯學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，實驗設(shè)問是該實驗的另一個側(cè)重點。

(1)實驗問題設(shè)置多樣化首先體現(xiàn)在設(shè)問的點分布在實驗操作前、實驗操作過程及實驗后的拓展延伸。通過這三個模塊的問題促進(jìn)學(xué)生對膜結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運輸功能的理解。

(2)不同模塊設(shè)置的問題在內(nèi)容的層次上也體現(xiàn)出多樣性。問題設(shè)置的內(nèi)容具有一定層次性，逐步引導(dǎo)學(xué)生思考并理解實驗過程及相關(guān)原理。實驗操作前的設(shè)問主要涉及“細(xì)胞膜控制物質(zhì)進(jìn)出功能”的基礎(chǔ)知識內(nèi)容；實驗操作過程中的設(shè)問主要是針對該實驗中設(shè)置的自變量及捕獲的因變量方面展開，問題設(shè)置的內(nèi)容更加貼近本模塊的內(nèi)容，涉及不同溫度、不同試劑和不同濃度對膜結(jié)構(gòu)的影響，如對實驗數(shù)據(jù)的分析、不同處理條件實驗結(jié)果的對比，以及不同處理方法的原因闡述等；拓展延伸主要從生物學(xué)一般原理及應(yīng)用方面設(shè)置的問題，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)該實驗和相關(guān)內(nèi)容對知識進(jìn)行外延，豐富學(xué)生的知識內(nèi)容。

(3)問題設(shè)置在知識內(nèi)容要求方面也呈現(xiàn)多樣性。設(shè)置問題對知識內(nèi)容要求掌握的程度涉及到綜合運用相關(guān)知識進(jìn)行分析、解釋、判斷及推理。實驗數(shù)據(jù)處理中涉及到了對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析，“分析”是對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行解釋的基礎(chǔ)。大部分問題需要學(xué)生根據(jù)一定的生物學(xué)現(xiàn)象和過程解釋其原理和原因，這要求學(xué)生掌握或者獲取充分的相關(guān)知識，進(jìn)而組織知識之間的因果關(guān)系?！芭袛唷焙汀巴评怼币髮W(xué)生根據(jù)一定的信息推斷一種最可能的結(jié)果，這對學(xué)生的邏輯思維能力要求更高。例如，該實驗中根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，依據(jù)實驗結(jié)論進(jìn)行推理，這類問題的設(shè)置不僅深化實驗過程，同時提升學(xué)生思維深度和廣度。

3 能力培養(yǎng)分析

該探究實驗側(cè)重點體現(xiàn)在實驗操作和設(shè)問兩方面，其具有不同的能力培養(yǎng)要求?！皩嶒灢僮鳌币髮W(xué)生能夠按照實驗步驟獨立完成生物學(xué)實驗，理解實驗?zāi)康摹⒃?、方法和操作步驟，掌握相關(guān)的操作技能。詳細(xì)的實驗步驟設(shè)置似乎對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)有所忽略，但注重對學(xué)生操作技能的培養(yǎng)，學(xué)生可以在既定的步驟中掌握相關(guān)操作技能。如果這是開放性的實驗，實驗思路和方案需要學(xué)生自己制定，實驗詳細(xì)步驟需要學(xué)生摸索，增加實驗的復(fù)雜性，就會削弱對實驗技能的培養(yǎng)。

“實驗設(shè)問”是針對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，包括具備驗證生物學(xué)事實的能力，能對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析、解釋，并能對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實驗中的問題設(shè)置內(nèi)容不同，層次不同，對能力要求也呈現(xiàn)多樣化。問題主要集中在實驗結(jié)果得到以后，側(cè)重對實驗數(shù)據(jù)的處理。設(shè)問的方式明確表明具體思維能力要求包括：分析、解釋、判斷和推理，注重在分析過程中培養(yǎng)學(xué)生的語言組織、邏輯思維及推理能力。