高中生物學(xué)研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的探索*

畢可雷 王 玲

（北京市第一六一中學(xué) 北京 100035）

2017年北京進(jìn)入第2 批高考綜合改革試點(diǎn)，生物學(xué)課程正式進(jìn)入高一學(xué)段。生物學(xué)課程面臨周課時(shí)少、課堂間斷性大、課程銜接困難的問題，如何利用課外時(shí)間，開發(fā)一套既能促進(jìn)課堂教學(xué)，又能培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的活動(dòng)，成為高中生物學(xué)教師必須思考的問題。

北京市教育委員會(huì)發(fā)布的《普通高中2017 級(jí)生物課程指導(dǎo)意見》中指出：注重在實(shí)踐過(guò)程中從生命觀念、理性思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等方面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。讓學(xué)生積極參與動(dòng)手和動(dòng)腦的活動(dòng)，通過(guò)探究類學(xué)習(xí)活動(dòng)，加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，進(jìn)而能用科學(xué)的觀點(diǎn)、知識(shí)、思路和方法，面對(duì)和解決現(xiàn)實(shí)生活中的某些問題。生物學(xué)研究性學(xué)習(xí)正是以科學(xué)探究的形式，從科學(xué)問題出發(fā)，通過(guò)親身體驗(yàn)獲得實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的一種活動(dòng)；因其具有開放性、綜合性、實(shí)踐性等特點(diǎn)，在培養(yǎng)學(xué)生的探究學(xué)習(xí)意識(shí)及理性思維能力方面具有顯著優(yōu)勢(shì)［1］。本文以“蛋白質(zhì)種類多樣性”為研究主題，利用課外時(shí)間開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，以期對(duì)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的提高有所幫助。

1 研究方法

1.1 主題選定原則 蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最重要的生物大分子之一，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)多樣性的原因是教學(xué)中的難點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中為突破這一難點(diǎn)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究的方法讓學(xué)生觀察多種多樣的蛋白質(zhì)。不同種蛋白質(zhì)因含有的氨基酸種類、數(shù)目不同，導(dǎo)致其分子量也不同；學(xué)生在這些已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)用變性蛋白質(zhì)電泳的方法可檢測(cè)蛋白質(zhì)的種類，由此確定了研究主題和研究方法。本文以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、學(xué)生熟知的大腸桿菌和酵母菌為研究對(duì)象，以檢測(cè)真核、原核細(xì)胞中蛋白質(zhì)種類為研究主題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)微觀世界的了解，提升生物學(xué)學(xué)習(xí)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生探究學(xué)習(xí)意識(shí)和理性思維能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微生物培養(yǎng) 微生物培養(yǎng)分為液體培養(yǎng)和固體培養(yǎng)2 種，學(xué)生首先需要配制固體和液體2 種培養(yǎng)基,并完成高壓滅菌操作。實(shí)驗(yàn)中要設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用平板劃線法完成2 種微生物的固體培養(yǎng)；挑取培養(yǎng)平板上的單克隆菌落,將其接種在液體培養(yǎng)基中，完成液體培養(yǎng)。在本文中，培養(yǎng)大腸桿菌的培養(yǎng)基簡(jiǎn)稱LB，培養(yǎng)酵母菌的培養(yǎng)基簡(jiǎn)稱YPD。

1.2.2 細(xì)胞裂解 蛋白質(zhì)存在于細(xì)胞中，為了檢測(cè)蛋白質(zhì)的種類，必須首先將細(xì)胞進(jìn)行裂解，實(shí)驗(yàn)室中常用超聲破碎法裂解大腸桿菌細(xì)胞；而酵母菌細(xì)胞壁較厚,成分復(fù)雜,常用玻璃珠機(jī)械破碎法進(jìn)行裂解［2］。

1.2.3 蛋白質(zhì)電泳 蛋白質(zhì)電泳是檢測(cè)蛋白質(zhì)種類的一種分子生物學(xué)研究手段。實(shí)驗(yàn)前學(xué)生研究了配制凝膠所需的化學(xué)試劑，并結(jié)合化學(xué)知識(shí)了解各種組分在本實(shí)驗(yàn)中的作用。學(xué)生在配制凝膠的過(guò)程中,初步掌握了凝膠形成的過(guò)程及電泳的原理,它是通過(guò)分子量差異將不同種類蛋白質(zhì)進(jìn)行區(qū)分的。電泳前，先用分光光度計(jì)測(cè)定2 種全細(xì)胞裂解液的蛋白質(zhì)濃度，以280 nm 處的吸光值為測(cè)定參數(shù)（即A280），測(cè)定的大腸桿菌裂解液蛋白質(zhì)濃度為16 mg／mL；酵母裂解液蛋白質(zhì)濃度為22 mg／mL。用裂解緩沖液將酵母全細(xì)胞裂解液濃度稀釋至16 mg／mL。然后各取10 μL 全細(xì)胞裂解液與10 μL 2 倍濃度的上樣緩沖液混合，將混合液置于95°C 水浴鍋中加熱5 min，再離心取上清液各10 μL，依次加入上樣孔中進(jìn)行電泳。設(shè)置恒壓電泳60 min，然后取下凝膠，先用考馬斯亮藍(lán)染色2 min，再脫色20 min，即可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果討論

2.1 觀察比較2 種微生物的菌落形態(tài) 微生物菌落的形成是細(xì)胞增殖的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)將肉眼看不見的微生物在適當(dāng)條件下進(jìn)行培養(yǎng)，可獲得單克隆菌落，如圖1～圖4所示；學(xué)生通過(guò)比較2 種菌落發(fā)現(xiàn)：1）菌落氣味不同。大腸桿菌菌落沒有酒精氣味，酵母菌菌落有酒精的氣味；再通過(guò)分析2 種微生物的培養(yǎng)基成分，發(fā)現(xiàn)酵母菌培養(yǎng)基中有葡萄糖，它是酵母菌進(jìn)行無(wú)氧呼吸產(chǎn)生酒精的主要底物,而大腸桿菌沒有此代謝途徑；2）菌落的大小不同。大腸桿菌菌落平坦、較小，而酵母菌菌落隆起、較大,在同樣培養(yǎng)條件下,導(dǎo)致2 種微生物菌落大小差異的原因,經(jīng)分析可能與真核、原核細(xì)胞大小有關(guān)，一般大腸桿菌細(xì)胞大小約為1 μm×3 μm，酵母菌細(xì)胞大小為5 μm×30 μm［3］。因此微生物菌落的氣味和大小是微生物菌種鑒定的重要依據(jù)。表1是2 種微生物的菌落特征比較。

圖1 大腸桿菌培養(yǎng)平板空白對(duì)照

圖2 用平板劃線法培養(yǎng)的大腸桿菌菌落

圖3 酵母菌培養(yǎng)平板空白對(duì)照

圖4 用平板劃線法培養(yǎng)的酵母菌菌落

表1 比較大腸桿菌和酵母菌的菌落特征

2.2 比較分析真核、原核細(xì)胞中蛋白質(zhì)種類的差異 變性蛋白質(zhì)電泳是根據(jù)蛋白質(zhì)分子量的不同將蛋白質(zhì)進(jìn)行區(qū)分的。蛋白質(zhì)分子量越大,在聚丙烯酰氨凝膠上移動(dòng)速度越慢，反之則越快。圖5為蛋白質(zhì)電泳圖。從圖中可對(duì)大腸桿菌與酵母菌中的蛋白質(zhì)進(jìn)行比較，學(xué)生可非常直觀地觀察到不同樣品中蛋白質(zhì)條帶的數(shù)目、粗細(xì)及位置，這些信息也相應(yīng)地代表了蛋白質(zhì)種類、含量及不同種蛋白質(zhì)的分子量。通過(guò)對(duì)圖5的觀察，在2 種全細(xì)胞裂解液濃度一致及上樣量相等的情況下，大腸桿菌細(xì)胞中的蛋白質(zhì)條帶數(shù)目明顯多于酵母菌，結(jié)果表明：原核細(xì)胞蛋白質(zhì)種類高于真核細(xì)胞；但這與課內(nèi)理論知識(shí)是相矛盾的，通過(guò)課內(nèi)學(xué)習(xí)可知：酵母菌作為真核細(xì)胞，含有多種細(xì)胞器，生命活動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，理論上蛋白質(zhì)種類要高于大腸桿菌細(xì)胞，由此矛盾引發(fā)學(xué)生思考，并通過(guò)查閱文獻(xiàn)得出合理解釋。究其原因可能是：1）酵母細(xì)胞中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，破碎后在裂解液中構(gòu)型不穩(wěn)定，有部分蛋白質(zhì)變性而沉淀，在電泳凝膠上檢測(cè)不到這部分變性蛋白質(zhì)［4］；2）2 種細(xì)胞破壁所用的方法不同，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)不同分子量的蛋白質(zhì)的釋放量有差異。雖然樣品中總蛋白質(zhì)的含量相同，但細(xì)胞破碎程度不同，不同分子量蛋白質(zhì)釋放不同，對(duì)總的結(jié)果有影響。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)不難得出結(jié)論：真核細(xì)胞中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。

圖5 蛋白質(zhì)電泳結(jié)果

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促成學(xué)生提升生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要支撐。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要更加注重定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解生命的本質(zhì)。此類以探究為主的研究性學(xué)習(xí)，不但可有效落實(shí)理性思維和科學(xué)探究等核心素養(yǎng)，而且在活動(dòng)中教師不斷滲透科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系，這對(duì)于生命觀念和社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)也具有重要作用。

3 評(píng)價(jià)總結(jié)

活動(dòng)評(píng)價(jià)對(duì)于活動(dòng)開展的效果評(píng)估具有非常重要的作用。通過(guò)評(píng)價(jià)可促進(jìn)學(xué)生獲得自主參與研究探索的體驗(yàn)，激勵(lì)培養(yǎng)學(xué)生的合作與交流，同時(shí)也可促進(jìn)教師加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)，引導(dǎo)教學(xué)進(jìn)程［5］?；顒?dòng)評(píng)價(jià)要貫穿活動(dòng)的始終，做到與活動(dòng)進(jìn)程同步。因此在實(shí)踐過(guò)程中，教師主要從以下3 個(gè)方面做好活動(dòng)評(píng)價(jià)。

1）評(píng)價(jià)方式多樣化。課堂教學(xué)中紙筆測(cè)試是教師經(jīng)常采用的評(píng)價(jià)方式，但在課外活動(dòng)中，受活動(dòng)場(chǎng)地、時(shí)間等限制，教師要運(yùn)用多元評(píng)價(jià)方式評(píng)估學(xué)生的成果。例如，采取觀察、談話、調(diào)查等形式，收集學(xué)生活動(dòng)過(guò)程中的資料、出勤情況、活動(dòng)感受等，做成學(xué)生專屬檔案袋，以學(xué)生的實(shí)際表現(xiàn)作為判斷學(xué)習(xí)質(zhì)量的依據(jù)。

2）評(píng)價(jià)內(nèi)容多元化。評(píng)價(jià)內(nèi)容包括學(xué)生參與活動(dòng)的態(tài)度，在活動(dòng)中獲得的體驗(yàn)，研究方法和技能的掌握，學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的發(fā)展等；做到定性與量化評(píng)價(jià)結(jié)合。例如，有的學(xué)生在活動(dòng)感想中寫道：“本次實(shí)驗(yàn)最大的收獲就是體會(huì)到了做科學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、一絲不茍的態(tài)度；對(duì)于實(shí)驗(yàn),不只在于動(dòng)手操作，而且要有自己的思考，即使是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，也運(yùn)用了物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)的知識(shí)，明白了生物學(xué)是一門綜合的學(xué)科，需要廣博的知識(shí)。我認(rèn)為在實(shí)踐中學(xué)習(xí)是最好的學(xué)習(xí)方法，更益于加深記憶”。由此可見，評(píng)價(jià)內(nèi)容的多元化可促進(jìn)教師和學(xué)生共同進(jìn)步。通過(guò)評(píng)價(jià)，教師意識(shí)到學(xué)生具有開展生物學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的意愿，有效落實(shí)了課程目標(biāo)，調(diào)動(dòng)了教師繼續(xù)開展活動(dòng)的積極性；同時(shí)學(xué)生從內(nèi)心認(rèn)可了實(shí)踐活動(dòng)，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)的興趣。

3）評(píng)價(jià)主體多位化。評(píng)價(jià)主體不只是教師，也包括學(xué)生或?qū)W習(xí)小組、家長(zhǎng)等，要自評(píng)與他評(píng)相結(jié)合［6］。教師可在學(xué)校內(nèi)設(shè)計(jì)作業(yè)評(píng)比展板，或建立活動(dòng)微信群；將學(xué)生的活動(dòng)報(bào)告或感想進(jìn)行公開展示，讓學(xué)生在作業(yè)互評(píng)中相互學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，促進(jìn)所有學(xué)生的成長(zhǎng)與進(jìn)步。

研究性學(xué)習(xí)可促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維、提升科學(xué)探究能力，這對(duì)于生物學(xué)核心素養(yǎng)的形成具有非常重要的作用。研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)構(gòu)建了一種理論知識(shí)聯(lián)系生活實(shí)踐的課程體系，創(chuàng)設(shè)了一種理解和應(yīng)用知識(shí)的學(xué)習(xí)情境，為今后選考生物學(xué)及有志從事生命科學(xué)研究的學(xué)生提供實(shí)踐機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生確定未來(lái)的發(fā)展方向。