皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于高職生物學(xué)教學(xué)的探討*

劉 京 張曉擎 自應(yīng)芹 趙保堂 張 繼** 陸樹林

（1 西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 甘肅蘭州 730070 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 甘肅蘭州 730070 3 甘肅龍麒生物科技股份有限公司 甘肅瓜州 736100）

隨著職業(yè)教育人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新及實(shí)踐教學(xué)改革的進(jìn)一步深化，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)已成為學(xué)校共識［1］。而眾多高職院校的教學(xué)仍復(fù)制普通教育的教學(xué)模式，尤其是生物學(xué)類專業(yè)課，重理論輕實(shí)踐的培養(yǎng)模式在很大程度上制約了技術(shù)型人才的培養(yǎng)［2］。而實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)型人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［3］，是生物學(xué)教學(xué)理論知識實(shí)現(xiàn)的重要過程，并且近年來手工皂以其原料天然、綠色環(huán)保的特點(diǎn)受到越來越多的推崇［4］，因此開展皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)可提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)造能力。

皂化反應(yīng)是復(fù)合油脂在堿性條件下水解生成甘油和高級脂肪酸鹽的反應(yīng)，是一項(xiàng)危險(xiǎn)性小、操作較簡單的生物學(xué)基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)，適宜高職學(xué)生學(xué)習(xí)接受。本次教學(xué)采用啟發(fā)式教學(xué)模式，學(xué)生作為課堂主體，教師作為引導(dǎo)者，將3 種手工皂的制作作為生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行嘗試，結(jié)果顯示學(xué)生以小組合作的方式基本都能順利完成并取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安排合理性及可控性，可達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的教學(xué)目標(biāo)。

1 皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：理解并掌握皂化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理；理解并掌握制備手工皂的條件與方法。

2）能力目標(biāo)：掌握文獻(xiàn)查詢的方法，達(dá)到小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作方案的目標(biāo)；掌握手工皂硬度值的計(jì)算方法，通過計(jì)算得到手工皂最佳配料比；學(xué)會電子天平、恒溫水浴鍋、電動攪拌器等實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用及注意事項(xiàng)。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：學(xué)生對皂化反應(yīng)等生物學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程產(chǎn)生更加濃厚的興趣。

1.2 教學(xué)活動組織

1.2.1 實(shí)驗(yàn)分組 為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，將班級成員隨機(jī)分成4 人一組，一共為7 組；每組4名成員各司其職，組長負(fù)責(zé)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用品、跟進(jìn)各組實(shí)驗(yàn)總體進(jìn)程及組織交流與討論，1 名組員負(fù)責(zé)計(jì)算實(shí)驗(yàn)原料用量、記錄實(shí)驗(yàn)過程主要現(xiàn)象和交流討論的內(nèi)容，其余2 名組員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)具體操作過程，成員分工可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，但要求實(shí)驗(yàn)過程中全員參與。

1.2.2 小組預(yù)習(xí) 本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括竹炭皂、玫瑰皂、驢奶皂3 種手工皂的制作，組1、組2 制作竹炭皂；組3、組4 制作玫瑰皂；組5、組6、組7 制作驢奶皂。各小組通過查閱資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作步驟與方案，完成課前預(yù)習(xí)，準(zhǔn)備課前討論。

其中復(fù)合油脂使用實(shí)驗(yàn)室已購買的橄欖油、椰子油、棕櫚油、甜杏仁油，附加的功能性物質(zhì)包括驢奶、玫瑰精油、竹炭粉。

1.3 教學(xué)進(jìn)程與安排

1.3.1 材料與儀器 實(shí)驗(yàn)室所用橄欖油、椰子油、棕櫚油、甜杏仁油、竹炭粉、驢奶、冰袋均為市售，玫瑰精油為實(shí)驗(yàn)室自制，NaOH 為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1 000 mL 玻璃燒杯，500 mL 塑料燒杯，200 mL量筒，玻璃棒，溫度計(jì)，F(xiàn)A2104 電子天平（上海良平儀器儀表有限公司），HH-S8 電熱恒溫水浴鍋（北京科偉永興儀器有限公司），JJ-1 精密定時電動攪拌器（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排

1.3.2.1 課前討論 實(shí)驗(yàn)前教師抽取3 組不同手工皂的選組，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)情況進(jìn)行匯報(bào)討論，教師在各組討論過程中對正確的方案給予肯定，對不正確的及時糾正。課前討論有利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力［5］。

學(xué)生通過文獻(xiàn)檢索、網(wǎng)絡(luò)查閱等方式基本都能得出很好的實(shí)驗(yàn)方案，自主設(shè)計(jì)能加深學(xué)生對皂化反應(yīng)相關(guān)知識的理解，并且為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的順利開展提供理論基礎(chǔ)。

1.3.2.2 實(shí)驗(yàn)原理引入 教師提問式引入皂化反應(yīng)原理并請1 名學(xué)生黑板上書寫皂化反應(yīng)過程。

該皂化反應(yīng)是甘油三酯與NaOH 反應(yīng)生成鈉鹽和甘油，鈉鹽是手工皂的主要成分。

1.3.2.3 計(jì)算原料質(zhì)量 各組通過課前討論已經(jīng)確定手工皂所需原料與實(shí)驗(yàn)操作方案，原料質(zhì)量如何確定？皂化反應(yīng)中各原料的具體質(zhì)量需計(jì)算后確定。

1）計(jì)算油脂質(zhì)量。教師規(guī)定以500 g 為復(fù)合油脂總質(zhì)量，各組擬定每種油脂的百分比，依據(jù)油脂的硬度值（INS），計(jì)算成品皂的硬度（INS）以最終確定各種油脂的質(zhì)量比，理想的成品皂硬度值在120～170 之間，如果相差太遠(yuǎn)則需適度調(diào)整油脂的比例。

INS 值的計(jì)算方法：INS 總值＝各類油脂INS值與各類油脂比例乘積的總和。

表1 4 種油脂皂化價和硬度值［6］

2）計(jì)算NaOH質(zhì)量。NaOH的質(zhì)量等于各油脂的質(zhì)量與各油脂皂化價乘積的總和。

3）計(jì)算水的質(zhì)量。水和NaOH的比例:水是NaOH的2.3～2.6 倍。

4）計(jì)算附加物的質(zhì)量。驢奶皂中驢奶與水的質(zhì)量比為1∶1，竹炭粉為油脂總質(zhì)量的0.5%，玫瑰精油0.5 mL。

表2 7 組手工皂原料配比

各組計(jì)算結(jié)果見表2，經(jīng)教師確定無誤后即可開始準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。

1.3.2.4 皂化反應(yīng)操作過程 教師提前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，各組組長負(fù)責(zé)選擇本組皂化反應(yīng)的原料。3 種手工皂所需原料不同，但操作過程相似，本文主要介紹驢奶皂。在制作過程中教師應(yīng)掌握學(xué)生動態(tài)，隨時指導(dǎo)學(xué)生。學(xué)生通過動手操作可更加清晰地看到皂化反應(yīng)的變化過程（第3 步驟）。

1）組員A 用天平準(zhǔn)確稱取適量NaOH 置于塑料燒杯中，用200 mL 量筒量取適量去離子水，將裝有NaOH 的塑料燒杯放置于盛有冰袋的盆中（組長準(zhǔn)備），然后將去離子水分3 次緩慢加入NaOH，邊加邊攪拌，組員C 用溫度計(jì)隨時測量溶液溫度并記錄，最終攪拌至NaOH 完全溶解；待溫度計(jì)顯示其溫度為40℃，將適量驢奶緩慢注入其中，制成乳堿；乳堿涼至35℃，備用（玫瑰皂及竹炭皂不添加驢奶）。

2）常溫狀態(tài)下棕櫚油、椰子油呈固體狀態(tài)，組員B 將固體油脂水浴加熱融化為液體油脂，再準(zhǔn)確稱量適量棕櫚油、甜杏仁油、椰子油等，倒入1 000 mL 燒杯中，加熱至所有油脂溶解，立即取出，降溫至45℃，得復(fù)合油脂，備用。

3）組員A 將上述乳堿慢慢加入到復(fù)合油脂中，放置電動攪拌器攪拌30～40 min，使其逐漸變濃稠，待濃稠狀態(tài)為酸奶狀時，停止攪拌得皂液（玫瑰皂或竹炭皂此時加入玫瑰精油或竹炭粉，并攪拌片刻）。

4）組員B 將皂液倒入模具，放置24 h 后脫模，切塊整皂，通風(fēng)避光處放置，成熟后即得產(chǎn)品，室溫下產(chǎn)品需放置1 個月待皂化反應(yīng)完全結(jié)束后（8＜pH＜10）方可使用［10］。

圖1 皂化反應(yīng)流程圖

1.3.3 組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師組織學(xué)生進(jìn)行皂化反應(yīng)結(jié)果討論，并書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。討論主要集中在4 個方面：1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在實(shí)際操作時是否出現(xiàn)困難，是遺漏哪一步引起的；2）皂化反應(yīng)的結(jié)果如何，反應(yīng)程度與哪些因素有關(guān)；3）匯總實(shí)驗(yàn)中的問題并進(jìn)行成因分析；4）匯總實(shí)驗(yàn)過程中的主要易錯操作環(huán)節(jié)及注意事項(xiàng)，每個小組選擇對本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最大的2個主題進(jìn)行討論分析，其他小組可提出不同建議。通過討論可幫助學(xué)生檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作過程的關(guān)鍵點(diǎn)，引發(fā)學(xué)生主動思考，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立思維，為后續(xù)開展其他生物學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 皂化反應(yīng)完全結(jié)束后手工皂才可使用，所以本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果以成型情況、表面光滑度為標(biāo)準(zhǔn)評定皂化反應(yīng)是否成功。本次實(shí)驗(yàn)中，全班共7 組，其中組1、組3、組5、組6 都得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，手工皂成型穩(wěn)定，硬度適中，表面光滑，無裂痕；組2 竹炭皂表面多處出現(xiàn)裂痕，有輕微掉渣現(xiàn)象；組4 玫瑰皂過軟、成型不穩(wěn)定；組7 驢奶皂顏色偏黃，有輕微油耗味。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 7 組皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

成因分析：組2 竹炭皂表面多處出現(xiàn)輕微裂痕，有輕微掉渣現(xiàn)象，是因?yàn)槌善吩碛捕戎颠^高。組4 玫瑰皂過軟未成型，是因?yàn)樵砘磻?yīng)未完全，小組成員攪拌時間不夠；也可能是因?yàn)槌善吩碛捕戎颠^低。組7 驢奶皂顏色偏黃，有輕微油耗味，是因?yàn)樾〗M成員在油脂加熱時未控制好溫度，復(fù)合油脂中有油脂被過度氧化的結(jié)果，也可能是因?yàn)轶H奶與NaOH 混合時溫度過高，驢奶變質(zhì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)分析

1）NaOH 對玻璃有腐蝕性，要用塑料燒杯量取，且溶于水時放出大量熱，所以將水分3 次緩慢加入NaOH 中，并在冰浴狀態(tài)下溶解。

2）加熱復(fù)合油脂時要隨時測量溫度，避免因溫度過高導(dǎo)致部分油脂被氧化，導(dǎo)致成品皂表面出現(xiàn)斑點(diǎn)。

3）堿液和復(fù)合油脂溶解的溫度要隨時測量，當(dāng)二者都達(dá)到合適溫度后立即混合，避免因溫度不合適減緩皂化反應(yīng)速度。

4）攪拌時間約為30～40 min，當(dāng)混合液變成半固體狀態(tài)，表面痕跡在10 s 內(nèi)不會立刻消失，表示皂化反應(yīng)完全［11］。

5）手工皂倒入模具后，注意用保鮮膜將模具密閉，否則混合物水分風(fēng)干過快，反應(yīng)無法繼續(xù)進(jìn)行［12］。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意義與思考

大部分高職學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差，學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)，缺乏正確的學(xué)習(xí)方法，沒有獨(dú)立性、自主性和探究性［13］。而且目前高職生物學(xué)教學(xué)大多數(shù)以理論為主，缺少專業(yè)實(shí)踐，因此，設(shè)計(jì)皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于高職生物學(xué)教學(xué)，貼近學(xué)生生活，可大幅度提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，能有效地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與動手能力，以滿足社會對技術(shù)型專業(yè)人才的需求。

本實(shí)驗(yàn)以學(xué)生作為課程主體，將傳統(tǒng)教師的“教”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)”，充分發(fā)揮學(xué)生自主創(chuàng)新能力。例如課前以問題導(dǎo)入的形式讓學(xué)生自己查找資料解決疑惑、原料計(jì)算過程由小組獨(dú)立完成、討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果時學(xué)生自行探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果及問題等，教師在整個實(shí)驗(yàn)過程主要充當(dāng)引導(dǎo)者的角色，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造、設(shè)計(jì)，讓學(xué)生的思維能力得到充分拓展，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、動手操作能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力，真正達(dá)到以學(xué)生為主體的新課程改革要求。學(xué)生通過親身實(shí)踐，提高對皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理及步驟的感性認(rèn)知，進(jìn)而提高對生物學(xué)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣；學(xué)生通過自己動手獲得手工皂成品，可極大地提高動手操作帶來的滿足感，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)成就感。