基于STEM理念開展“制作泡菜并檢測(cè)亞硝酸鹽含量”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)*

鄭耀賢 周憶堂 胡佳娜 王愛東

［1 北京師范大學(xué)（珠海）附屬高級(jí)中學(xué) 廣東珠海 519080 2 珠海市唐國(guó)安紀(jì)念學(xué)校 廣東珠海 519080］

本實(shí)驗(yàn)來自人教版高中生物學(xué)選修1專題1課題3“制作泡菜并檢測(cè)亞硝酸鹽含量”。該實(shí)驗(yàn)主要包括2個(gè)部分，其中，“制作泡菜”部分并不難，可在課前錄制微課，安排學(xué)生觀看并動(dòng)手實(shí)踐；而“亞硝酸鹽含量的測(cè)定”部分則由于實(shí)驗(yàn)儀器不充分（缺搖床等）、實(shí)驗(yàn)藥品繁多、實(shí)驗(yàn)步驟繁瑣、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不明顯等問題，在中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中極少開展。

基于STEM理念開展以探究為特點(diǎn)的“制作泡菜并檢測(cè)亞硝酸鹽含量”實(shí)驗(yàn)，將幫助學(xué)生達(dá)成對(duì)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中“選擇性必修課程”概念3“發(fā)酵工程利用微生物的特定功能規(guī)?；a(chǎn)對(duì)人類有用的產(chǎn)品”［1］的理解。新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該內(nèi)容的“學(xué)業(yè)要求”是針對(duì)人類生產(chǎn)或生活的需求，選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法，提出初步的工程學(xué)構(gòu)想，進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和制作（生命觀念、科學(xué)探究）；基于證據(jù)運(yùn)用生物學(xué)基本概念和原理對(duì)日常生活或社會(huì)熱點(diǎn)話題中的生物技術(shù)和工程的話題表明自己的觀點(diǎn)并展開討論（科學(xué)思維、社會(huì)責(zé)任），有利于促進(jìn)學(xué)生了解并利用現(xiàn)代工程學(xué)的知識(shí)，并結(jié)合科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)知識(shí)和能力（STEM）綜合運(yùn)用在實(shí)踐活動(dòng)中，解決生活中的實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的提升。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

1）生命觀念：通過制作泡菜，用結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)，認(rèn)識(shí)利用乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)特定的產(chǎn)物——泡菜。

2）科學(xué)思維：利用測(cè)定亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)顯色液的吸光值制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，運(yùn)用模型與建模、類比推理等方法，判斷泡菜中亞硝酸鹽含量是否達(dá)標(biāo)。

3）科學(xué)探究：根據(jù)影響泡菜亞硝酸鹽含量的因素，提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究不同品種蔬菜、不同發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)、不同氯化鈉濃度等條件對(duì)泡菜亞硝酸鹽含量的影響。

4）社會(huì)責(zé)任：基于實(shí)驗(yàn)結(jié)論，就食用泡菜的安全性風(fēng)險(xiǎn)表明觀點(diǎn)，并主動(dòng)向他人宣傳食用腌制食品的安全性知識(shí)和建議。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

2.1 課前教學(xué)準(zhǔn)備過程

2.1.1 制作泡菜并錄制微課 提前1周錄制《泡菜制作》的微課并發(fā)布，將全班學(xué)生分為7組，每天安排1組按照要求制作一壇泡菜（包菜），共制作7壇不同腌制時(shí)長(zhǎng)、氯化鈉質(zhì)量濃度為10%的泡菜備用，此外，還用白菜、白蘿卜（用5%、10%、15%、20%質(zhì)量濃度的氯化鈉）制作泡菜若干壇備用。

2.1.2 配制NaNO2標(biāo)準(zhǔn)顯色液 課前探究小組采用梯度稀釋法用10支50 mL的比色管配制0、0.2 μg／mL、0.4μg／mL、0.8μg／mL、1.0μg／mL、1.2μg／mL、1.4μg／mL、1.6μg／mL和1.8μg／mL的NaNO2溶液，并在各比色管中分別加入2.0 mL 0.4%對(duì)氨基苯磺酸溶液，混勻靜置3 min，再分別加入1.0 mL 0.2%的鹽酸萘乙二胺溶液，用蒸餾水定容，可觀察到NaNO2溶液顏色的梯度變化。

2.1.3 構(gòu)建NaNO2標(biāo)準(zhǔn)曲線并錄制微課 課前探究小組用分光光度計(jì)（OD540）分別測(cè)量10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)濃度的NaNO2溶液的吸光值（表1）。將吸光值與對(duì)應(yīng)的濃度錄入Excel表格，采用軟件的插入曲線功能，擬合出NaNO2的標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1），并生成該曲線的回歸方程：y=0.5091x＋0.0283，R2=0.9957（R2是相關(guān)系數(shù)）。錄制《分光光度計(jì)使用》和《利用Excel軟件制作標(biāo)準(zhǔn)曲線》的微課并發(fā)布。

表1 NaNO2濃度（μg／m L）和對(duì)應(yīng)的吸光度（OD540）

圖1 NaNO2標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 課堂實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1 情境導(dǎo)入，通過討論提出可探究的問題并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案 播放《舌尖上的中國(guó)》中的《泡菜》片段、課前錄制的《泡菜制作》等視頻，并展示“食道癌高發(fā)地區(qū)與當(dāng)?shù)仫嬍沉?xí)慣的統(tǒng)計(jì)研究”新聞報(bào)道，引導(dǎo)學(xué)生思考泡菜制作過程所利用的微生物——乳酸菌的相關(guān)知識(shí)和泡菜腌制過程產(chǎn)生的亞硝酸鹽的基礎(chǔ)知識(shí)。小組討論如何檢測(cè)泡菜中的亞硝酸鹽含量，并寫出可探究問題（例如：腌制時(shí)長(zhǎng)對(duì)泡菜亞硝酸鹽含量的影響；蔬菜種類對(duì)泡菜亞硝酸鹽含量的影響；氯化鈉濃度對(duì)泡菜亞硝酸鹽含量的影響；溫度對(duì)泡菜亞硝酸鹽含量的影響等），以小組為單位設(shè)計(jì)和展示實(shí)驗(yàn)方案。通過綜合分析，提出本節(jié)課的主題——探究腌制時(shí)長(zhǎng)對(duì)泡菜亞硝酸鹽含量的影響。7個(gè)組分別選擇一個(gè)腌制時(shí)長(zhǎng)的泡菜（腌制時(shí)長(zhǎng)為1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，合作完成本實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。

2.2.2 制備泡菜樣品提取液 采用光電比色法測(cè)量泡菜的亞硝酸鹽含量，需分離蛋白質(zhì)、脂肪等，制備透明的泡菜樣品提取液，這是本實(shí)驗(yàn)比較難的部分。教師展示《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測(cè)定》（GB 5009.33—2016），并比對(duì)教材中的處理方法，引導(dǎo)學(xué)生分析討論發(fā)現(xiàn)“國(guó)標(biāo)法”的實(shí)驗(yàn)儀器、試劑和步驟都大為簡(jiǎn)化，實(shí)驗(yàn)所需材料少，能極大縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。因此，建議學(xué)生按照“國(guó)標(biāo)法”制備泡菜樣品提取液，其制備流程如圖2，并播放課前錄制的微課《“國(guó)標(biāo)法”制備樣品處理液》，幫助學(xué)生突破本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。

圖2 用“國(guó)標(biāo)法”制備泡菜樣品提取液

堿性條件下亞鐵氰化鉀-乙酸鋅聯(lián)合作用可沉降組織液中的蛋白質(zhì)［2］，活性炭可吸附雜質(zhì)和顏色，硼砂溶入水中即被水解為等量的硼酸與硼酸二氫鈉，起緩沖溶液作用，溶液為堿性。堿性條件下脂肪被皂化，減少樣品被脂肪包裹，使亞硝基根更易被提取至水溶液中；溶液在堿性條件下亞硝基根以離子的形式存在，易溶且穩(wěn)定。加熱15 min使亞硝酸提取完全。

2.2.3 利用標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果 組織液經(jīng)沉淀蛋白質(zhì)、除去脂肪后，在弱酸條件下，亞硝酸鹽與對(duì)氨基苯磺酸重氮化后，再與鹽酸萘乙二胺偶合形成紫紅色染料，外標(biāo)法測(cè)得亞硝酸鹽含量。

每組吸取泡菜提取液40 mL置于50 mL比色管中，滴加2.0 mL 0.4%對(duì)氨基苯磺酸，混勻，靜置3 min；再加入1.0 mL 0.2%鹽酸萘乙二胺，加蒸餾水定容至50 mL，混勻，靜置5 min；使用分光光度計(jì)測(cè)量吸光值（OD540），記錄；查找已構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型——NaNO2標(biāo)準(zhǔn)曲線，利用Excel軟件計(jì)算亞硝酸鈉濃度（μg／mL），再利用單位換算公式M=（A1*V0）／（m*V1）（A1=亞硝酸鈉濃度；V0=100；m=75；V1=40，單位：mg／kg），轉(zhuǎn)換為“國(guó)標(biāo)法”單位，與國(guó)標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。各組記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）。

表2 泡菜樣品提取液NaNO2含量測(cè)量記錄表

2.2.4 得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論并提出食用泡菜的建議各組組長(zhǎng)將本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果錄入表格中（表3），根據(jù)腌制時(shí)長(zhǎng)與亞硝酸鹽含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用Origin8.0軟件制圖（圖3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在腌制第4天時(shí)，亞硝酸鹽含量最高，第4天之后亞硝酸鹽含量逐漸下降。通過單位換算（mg／kg）與“國(guó)標(biāo)法”進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)表3可知，前7 d的亞硝酸鹽含量均低于標(biāo)準(zhǔn)值1 mg／kg。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出食用泡菜的建議。

表3 不同腌制時(shí)長(zhǎng)泡菜中NaNO2含量

圖3 不同腌制時(shí)長(zhǎng)泡菜中NaNO2含量變化

3 總結(jié)反思

3.1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn) 基于STEM理念開展本探究活動(dòng)，將生物學(xué)與化學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、信息科學(xué)等相互滲透。學(xué)生以項(xiàng)目的方式開展探究實(shí)踐活動(dòng)，運(yùn)用到大量的化學(xué)知識(shí)和操作技能、數(shù)學(xué)建模的思想和操作等跨學(xué)科知識(shí)和能力，泡菜漿的過濾沉淀技術(shù)、利用榨汁機(jī)進(jìn)行少量材料的粉碎需要基于設(shè)計(jì)的工程學(xué)思想，有利于學(xué)生建立科學(xué)的生命觀，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)組織方式，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)儀器、藥品和操作步驟。本實(shí)驗(yàn)主要為探究腌制時(shí)長(zhǎng)對(duì)泡菜亞硝酸鹽含量的影響，為了能在課堂上開展本探究，在課前1周開始，每天制備一壇泡菜，這樣，在上課當(dāng)天就能測(cè)量7 d的情況，這為操作繁瑣耗時(shí)較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)提供了有效的解決方案。與人教版教材相比，“國(guó)標(biāo)法”不需要恒溫?fù)u床等實(shí)驗(yàn)儀器，制備泡菜藥品處理液時(shí)所需的藥品和操作步驟大為簡(jiǎn)化（不需要氨水、氯化鉻、氯化鋇、濃鹽酸、硫酸鋁、氫氧化鈉、氯化鋇等），使得該實(shí)驗(yàn)?zāi)茉?0 min內(nèi)完成，這為該實(shí)驗(yàn)的順利開展創(chuàng)造了良好 的 條件［3］。

本實(shí)驗(yàn)探究采用比色法，利用分光光度計(jì)能精準(zhǔn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相比教材的目測(cè)比色法，結(jié)果更精準(zhǔn)。同時(shí)，利用大學(xué)分析化學(xué)的內(nèi)容建立亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于探究過程，開拓了學(xué)生的探究熱情和眼界。

3.2 教學(xué)反思 《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是課程的價(jià)值追求和課程教學(xué)目標(biāo)?！敖M織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)”是落實(shí)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，加強(qiáng)和完善生物學(xué)教學(xué)，充分利用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率，落實(shí)基于STEM理念的跨學(xué)科科學(xué)教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，將是重要的方向。開展基于項(xiàng)目的探究實(shí)踐活動(dòng)是實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的有效載體。