基于學科素養(yǎng)的高中化學課外實驗活動設(shè)計

謝鳳妮

◆摘? 要：開展課外實驗活動不僅符合中學化學課程標準及新課改要求，也是培養(yǎng)化學學科素養(yǎng)的重要途經(jīng)。本文以晥魚魚鱗為研究對象，進行課外實驗探究，研究了其魚鱗膠的提取方法及提取條件，并對魚鱗膠進行開發(fā)利用。

◆關(guān)鍵詞：學科素養(yǎng);高中化學;課外實驗活動

學科素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，教育部制定《普通高中化學課程標準（2017版）》對化學學習的各個方面進行了多維度要求，并指出“科學探究與創(chuàng)新意識”是高中化學的五大核心素養(yǎng)之一?；瘜W是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，而實驗探究是科學探究的主要形式，是培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)的重要途徑。作為課堂實驗的延伸及拓展，化學課外實驗在化學教學中具有非常重要的地位。課外實驗不會受時間、空間及原材料的影響，因而可以充分發(fā)揮研究形式多樣性和內(nèi)容豐富性的特點。結(jié)合課外實驗的特點，筆者指導(dǎo)學生進行了廢棄魚鱗中明膠的提取及應(yīng)用實驗探究。

1研究內(nèi)容

我國淡水魚產(chǎn)量豐富，位居世界首位。近年來淡水魚加工業(yè)開始蓬勃發(fā)展，主要集中體現(xiàn)在以生產(chǎn)魚糜、魚丸等魚肉加工，而有關(guān)下腳料如魚鱗、魚骨等大多數(shù)都以廢物形式被丟棄，既造成資源浪費也易污染環(huán)境。若將水產(chǎn)品加工業(yè)廢棄下腳料魚鱗中的明膠提取出來，每年可生產(chǎn)大量明膠，不僅可以提高原料利用率，對明膠加工業(yè)起到補充作用，也可增加經(jīng)濟效益，同時還能有效減少環(huán)境污染。

1.1魚鱗膠的特點

魚鱗膠（C55H85N12O22）是由魚鱗中膠原轉(zhuǎn)變成的一種明膠，其粘度及膠凝強度較高。在結(jié)構(gòu)上它是多種氨基酸聚合而成的鏈狀，機械強度高，難溶于酸、堿、鹽等溶液，當與水共熱時，會吸水膨脹會生成較小的明膠質(zhì)分子，易溶于水。

1.2魚鱗膠的用途

魚鱗膠是一種乳化力較強的保護膠體，含有除色氨酸以外的全部必需氨基酸，在人或動物體內(nèi)不僅能輔助食物消化，也可抑制因胃酸引起的蛋白質(zhì)凝聚作用。此外，還含豐富的卵磷脂，可產(chǎn)生控制腦細胞衰退的作用。在食品上魚鱗膠常用做膠凝劑、穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、乳化劑和澄清劑;在醫(yī)藥上，魚鱗膠可以用于生產(chǎn)膠囊;此外還以制成高級攝影膠膜應(yīng)用于照相工業(yè)。

2魚鱗膠的提取

2.1實驗?zāi)康?/p>

（1）了解魚鱗膠的性質(zhì)及用途;

（2）了解魚鱗的處理方法和提取原理;

（3）掌握魚鱗膠的提取工藝;

（4）綜合開發(fā)利用魚鱗膠制成產(chǎn)品。

2.2主要儀器與試劑

儀器：燒杯，紗布，天平，錐形瓶，膠頭滴管，pH試紙，玻璃棒，溫度計，恒溫水浴鍋，玻璃片，冷凝管，圓底燒瓶，尾接管，微型定性盒、保鮮膜、包裝紙、筆、墨、紙。

試劑：廢棄魚鱗，3%HCl溶液，3% NaOH溶液，3%石灰水，白砂糖，玉米淀粉，蜂蜜，色素、新鮮檸檬、染料。

2.3實驗工藝流程

2.4實驗方法與步驟

2.4.1原材料處理

魚鱗收集預(yù)處理：學生利用周末在附近菜市場或水產(chǎn)市場多次收集新鮮廢棄魚鱗（晥魚），用水漂洗干凈，晾干備用;

堿浸：取洗凈且晾干的魚鱗置于燒杯中，向其中加入NaOH溶液，浸泡（以除盡附著在魚鱗表面的污濁及脂肪）直至鱗片充分膨脹后，用水多次漂洗至洗液中性。

酸浸：將堿浸并洗凈的魚鱗再用稀鹽酸浸泡多次（以除去鈣質(zhì)）。

浸灰：用水多次漂洗酸浸后的魚鱗片，再置入石灰水中浸泡一段時間，最后再次清洗，測其洗滌液為中性即可。

2.4.2魚鱗膠熬制

向浸灰且中和后的魚鱗中加入水（水量為魚鱗體積的1.5倍），并置于恒溫水浴鍋中，控制溫度70℃，進行膠質(zhì)提取，每次3h連續(xù)熬煮數(shù)次，直至膠質(zhì)充分析出。用紗布趁熱過濾，并分裝于在多個淺口容器中，便于冷卻，待凝固成膠凍后則可進行刮片（用刀片刮成3厘米左右的薄片），干燥保存。

3影響魚鱗膠提取率的因素

3.1酸浸

通過查閱相關(guān)文獻，選擇參照動物皮骨中明膠提取的方法[4]，別對魚鱗膠提取的酸處理過程中料液比、浸酸濃度、浸酸時間進行對比實驗。

3.1.1酸浸料液比對提取率的影響

魚鱗中含有大量羥基磷灰石（Ca10（OH）2（PO4）6）及少量的 Ca（PO4）2，當進行酸浸時都與酸反應(yīng)，以以鈣離子的形式溶出，達到除鈣的目的。由圖2可知，魚鱗膠提取率隨料液比的遞增先升后降，當料液比為1：20時魚鱗膠的提取率達到最大值。當酸浸濃度、酸浸時間一定時，魚鱗中除鈣率會隨料液比的增大而增大，從而對膠原蛋白的釋放和提取有利，而后降低，其原因是由于料液比太大，會導(dǎo)致魚鱗中的酸溶性膠原蛋白和水溶性膠原蛋白都發(fā)生溶解，在過濾過程中膠質(zhì)會發(fā)生損失，由此可選擇浸酸料液比1：20。

3.1.2酸浸濃度對提取率的影響

由圖3可知，提取率受浸酸濃度影響，呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，并在酸濃度為3%時達到最高，隨后下降。當料液比和浸酸時間一定時，魚鱗的脫鈣效果及膠原蛋白的提取率均與酸濃度成正比，但當酸浸濃度較高或者過高時，會溶解部分魚鱗中膠原蛋白，從而造成膠質(zhì)的損失，在進行魚鱗浸酸操作時選擇鹽酸濃度為3%

3.1.3浸酸時間對提取率的影響

由圖4可知，提取率隨酸浸時間增長先稍微有下降再升高，然后趨于平穩(wěn)，最后下降，當酸浸時間為12 h此時提取率最高。結(jié)合文獻分析酸浸初始，提取率會受魚鱗中的酸溶性膠原蛋白的影響，略有降低，隨后升高。當料液比和浸酸濃度一定時，延長酸浸時間不僅有利于魚鱗脫去鈣質(zhì)，也有利于膠原蛋白的提取。由圖可知當酸浸時間6至18小時提取率變化并不大，說明已經(jīng)基本脫去魚鱗中的鈣質(zhì);當浸酸時間過長時會導(dǎo)致魚鱗中的水溶性膠原蛋白發(fā)生溶解，因此提取率最后呈現(xiàn)下降趨勢。結(jié)合以上因素從膠原蛋白的提取率和實驗的效率來考慮，浸酸時間應(yīng)選擇6h。

3.2浸灰

交聯(lián)的共價鍵和非共價鍵大量存在于魚鱗膠原纖維分子內(nèi)及分子間，使其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。若要提高魚鱗膠的提取率和純度，還需用堿處理破壞其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，充分釋放膠原分子，并除去非膠原類的雜蛋白。以石灰乳浸泡皮料的堿處理過程稱為“浸灰”，而魚鱗膠浸灰的過程同樣需要考慮料液比值、堿液濃度、提取時間的影響。本次探究實驗綜合了潘楊、王彩理等有關(guān)魚鱗膠提取的工藝方法，在浸灰部分采用料液比1：20、浸堿濃度3%、浸堿時間12h。

3.3實驗結(jié)論

本課外實驗探究活動采用酸堿法與熱水提取相結(jié)合的方法提取晥魚魚鱗膠，最佳浸酸工藝條件為：浸酸料液比1：20、浸酸濃度3%、浸酸時間6h;浸灰工藝條件為：料液比1：20、浸堿濃度3%、浸灰時間12h。相對傳統(tǒng)方法采用此工藝條件可以大大縮短周期，而且得到的魚鱗膠純度高，品質(zhì)好。

3.4魚鱗提取率

魚鱗膠提取率表示為：DP=B/E*100%，（B為提取的魚鱗膠質(zhì)量，E為干魚鱗質(zhì)量）。按以上最佳條件提取晥魚魚鱗膠，100g干魚鱗實際提取鱗膠10.12g（折算），其提取率約為10.12%左右。

4魚鱗膠的綜合應(yīng)用

4.1魚鱗膠固體清新劑制取

購買新鮮檸檬多個，用小刀取下表層部分約100g（含油質(zhì)層），將其搗碎，置于圓底燒瓶中，采用水浴法提取檸檬精油;取魚鱗明膠（20g）將其與檸檬精油混合，并用攪拌器進行充分混合并加熱溶解，并控制溫度在50℃（溫度過高精油易揮發(fā)，溫度過低魚鱗膠溶解不充分），趁熱倒入定型盒中，待冷卻后，在定型盒表面制得帶檸檬香味的固體清新劑;此外用類似的方法也制得了桂花香味的固體清新劑如圖5。

4.2魚鱗膠軟糖的制作

據(jù)調(diào)查在制糖工業(yè)中傳統(tǒng)的做法是使用明膠作為膠凝劑，但用來提取明膠的皮革原料一般都需要加工處理，很容易殘留化學試劑而影響明膠的品質(zhì)，而本探究實驗提取的魚鱗明膠主要通過水解熬制而得，營養(yǎng)成分豐富，且純天然工業(yè)化學雜質(zhì)較低。魚鱗膠軟糖制備主要分為兩部分：①造胚。將制備好的魚鱗膠放入250ml小燒杯中，按比例加入砂糖和玉米淀粉，加熱并不斷攪拌至黏稠狀，再按比例加入蜂蜜、檸檬酸（也可適當加入可食用色素）、香精，繼續(xù)加熱攪拌混合均勻。②造型。待粗胚充分冷冷卻后，鋪膜、造型、裹膜、包裝，即可得到魚鱗膠軟糖。其具體操作工藝流程如圖6：

4.3魚鱗廢料制工藝品

魚鱗膠提取過濾后可分離得到膠質(zhì)和魚鱗廢料，本著既環(huán)保又充分利用原料的原則，孩子們發(fā)現(xiàn)剩余魚鱗廢料質(zhì)地透明，且紋理清晰又像極一片片花瓣，于是靈機一動，想到將最后本要丟棄的廢料制成工藝品。他們發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，選用繪畫紙、畫上梅花樹干、樹枝，在將魚鱗片廢料粘在畫紙上，用涂料上色、晾干、制得魚鱗立體梅花，再將其進行裝裱，便可得到一幅精美的立體梅花工藝品如圖7。

5實驗討論

5.1實驗優(yōu)點

本實驗選取了廢棄魚鱗為研究對象，研究產(chǎn)品成本低，進行廢物再次開發(fā)利用符合綠色環(huán)保理念，不危害身體健康;并為魚鱗膠的提取工藝提供可參考依據(jù);變廢為寶，將廢棄的魚鱗進行充分開發(fā)利用，從食品、日用品、工藝品三方面著手，分別制得魚鱗膠軟糖、固體清新劑、手工工藝品（立體梅花）

5.2實驗困惑

在提取過程中魚鱗膠分子易發(fā)生部分水解和降解，影響魚鱗膠產(chǎn)率;溫度、時間、酸堿濃度、水與魚鱗的比率、溶液pH對魚鱗膠的提取影響也很大;用紗布過濾時，在紗布上有殘留膠質(zhì)，部分損失。本實驗為高中課外實驗活動，受實驗條件限制對魚鱗明膠粘度及膠凝膠強度的測定受酸、堿、溫度影響無法測定，在魚鱗膠的提取工藝部分主要以相關(guān)文獻的提取方法進行實驗。此外魚鱗膠的干燥及部分產(chǎn)品的保存也受到限制;本次研究對象僅為晥魚，后續(xù)還可以研究不同種類魚的魚鱗膠提取，如鳙魚、鰱魚、鯉魚及羅非魚等。在魚鱗膠的綜合應(yīng)用方面也只能處于初步探究，如魚鱗膠軟糖的制備，僅僅是模擬實驗階段，真正達到食用級別則需要更高的要求，今后繼續(xù)探索，努力提高提取率及產(chǎn)品的純度。在軟糖的制備中使用了極少量食品添加劑色素，后續(xù)將著力于天然色素的提取，并將其利用到各種產(chǎn)品開發(fā)中。

中學化學課外實驗活動的開展，對化學教學起了很好的補充作用，可以激發(fā)學生學習化學的熱情。學生利用課余時間在經(jīng)歷觀察、調(diào)查、實驗、分析等一系列探索的過程中，不僅培養(yǎng)了科學精神和創(chuàng)新能力，形成自主研究意識，也可獲得更高層次的情感體驗，此外還鍛煉了學生的合作能力和交流能力。本課外實驗研究屬于廣州市中學生“我與化學”活動研究案例，其開展可以幫助學生認識化學與生活及社會的密切聯(lián)系，培養(yǎng)學生獨立自主的研究能力，學會將所學知識運用到實踐中解決實際問題，尤其是廢物資源再次利用，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)，也有利于培養(yǎng)學生的社會責任擔當。

參考文獻

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本文是廣東省教育學會2019年教育科研規(guī)劃小課題《基于學科素養(yǎng)的高中化學課外實驗活動研究》（GDXKT20799）研究成果。