实验与培训丨本刊好文:指向科学思维发展的情境化探究实验设计——以“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”为例/郑珩艺等

文章来源:郑珩艺,陈依灵,张青岩.指向科学思维发展的情境化探究实验设计——以“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”为例[J]. 生物学通报, 2024, 59(8): 43-45.



本刊2024年第8期刊发的《指向科学思维发展的情境化探究实验设计——以“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”为例》一文,以发展科学思维为目标,设计探究性实验,通过创设有关膳食传言的情境,驱动学生自主探究,助力其提升科学探究能力,本期荐读。



指向科学思维发展的情境化探究实验设计 

——以“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”为例

郑珩艺  (汕头市金山中学)

陈依灵 ( 汕头市金中南滨学校 )


以发展科学思维为目标,将“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”设计为探究性实验。通过创设有关膳食传言的情境,驱动学生自主探究,引导学生基于实验证据论证观点;通过引导学生理性辨析和探索实验过程的生成问题,强化学生的理性思维,助力其提升科学探究能力。  


 关键词 




《普通高中生物学课程标准(2017 年版 2020 年修订)》明确指出,组织以探究为特点的主动学习是落实核心素养的关键,而实验教学作为生物学教学的基本形式之一,也是发展学生科学思维的重要途径之一。在生物学实验课上创设问题情境,营造探究氛围,让学生亲历“情境—问题—探究—论证”的过程,能更好地促进主动学习,发展科学思维。本文以“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”这一实验为例,设计指向科学思维发展的情境化探究实验教学。




01 实验分析



“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质” 选自人教版高中生物学必修 1《分子与细胞》第 2 章第 1 节,作为高中阶段的一个入门实验,其被安排在系统学习“糖类、脂肪和蛋白质”的理论 知识之前。该实验为学生学习细胞内的有机物等相关知识奠定感性认识基础。传统实验课 堂将该实验作为简单的验证实验开展,仅通过教师理论讲授和学生实验验证完成实验教学,此类课堂无法有效激发学生的科学探究精神,也无法充分发展学生的科学思维。因此,笔者将此实验设计为探究性实验,并设置营养膳食相关情境,旨在为学生创造更加开放的实验环 境,让学生在问题驱动下进行自主探究,在探究过程中发展科学思维,树立实事求是的科学观 念,并用以回答和解决生活中的实际问题。



02 实验目标



1)生命观念。通过探究不同生物材料中存在的多种营养物质,初步形成物质与能量观;通过分析实验结果,在分子水平上理解细胞的多样性 和统一性。

2)科学思维。通过对多种实验材料的鉴定和比较,掌握比较分析、归纳总结的科学思维方法;通过对营养膳食相关传言的质疑与分析,学会基于证据的论证,发展批判性思维和思辨思维。

3)科学探究。通过查阅、分析相关资料,了解相关物质鉴定的实验原理,掌握科学探究的一般思路和方法;通过对实验现象和实验过程的准确分析,完善实验方案,改进实验选材和相关操作。 

4)社会责任。科学看待生活中有关营养膳食的传言,认同健康饮食、平衡膳食的观点。



03 实验教学过程



本次教学以学生的生活经验为出发点,引导学生对营养膳食的传言提出观点,不同观点碰撞产生理性质疑,随后驱动学生以小组为单位,分组展开自主探究学习。在探究过程中抓住契机引导学生再次生成问题、思考问题、解决问题,进而提高学生学科核心素养,打造有情境、有深度的实验课堂。 

3.1 课前准备,提高效率

设计实验预习报告,引导学生课前阅读教材、查阅相关资料,完成实验报告中的预习部分(实验目的、实验原理、实验步骤等),以熟悉生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质检测实验的基本原理和操作步骤。 

生活中有许多关于营养膳食的传言,运用多媒体展示相关报道:1)越甜的水果,糖含量越高。2)1 个鹌鹑蛋的营养等同于 3 个鸡蛋。3)火龙果种子的含油量很高,与芝麻种子相同,也可以用来生产植物油。由此提出问题:你是否同意上述观点?理由是什么?如何验证你的观点?从而激发学生探究兴趣,引导学生用科学的观念看待世界,用实验证据检验“传言”,强化学生的思辨思维,发展科学探究能力。

将全班学生分为 3 组分别检测还原糖、蛋白质、脂肪。向还原糖组提供白萝卜匀浆、梨匀浆、苹果匀浆、西瓜汁和橙汁各 1 份;向蛋白质组提供鹌鹑蛋清和鸡蛋清各 1 份;向脂肪组提供火龙果一个和芝麻种子若干。随后,引导学生以小组为单位,自主设计探究实验方案,并使用所给材料开展实验探究。部分高一学生对于探究实验的步骤及实验操作不够熟悉,而且各组探究的难点和注 意事项各有不同,教师需及时给予适当指导。 

引导还原糖组先根据生活经验对材料甜度排序,再通过实验颜色反应深浅来判断含糖量是否与预期一致。蛋清质地黏稠,易黏在试管壁上,且震荡后易产生气泡影响观察,因此可启发蛋白质组先对蛋清进行等比例稀释。教材用花生切片观察脂肪颗粒,而火龙果种子和芝麻种子太小无法进行切片,可鼓励脂肪组对操作方法进行大胆尝试和改进等。各小组进行充分思考和尝试后,逐渐完善探究方法和操作,初步得到探究结果及结论后进行展示交流。 

3.3 生成问题,继续探究

得到实验结果和结论后,在学生展示交流时,应引导其发现新问题,并就生成的问题继续开展深入探究,在发现问题和解决问题的循环过程中理解实验原理,熟悉实验操作,发展科学思维和探究能力。

3.3.1 检测还原糖 

还原糖检测结果如图 1所示,砖红色由深到浅依次为梨匀浆、苹果匀浆、橙汁、白萝卜匀浆、西瓜汁。此结果中西瓜汁的显色结果与大部分学生的假设不相符,因此学生得出结论:越甜的水果,糖含量不一定越高。基于该结果提出新问题:为什么西瓜品尝起来很甜,但是检测出的还原糖含量却不如橙子和白萝卜?这一问题驱动学生继续探究,通过查阅文献等方法了解糖的种类及甜度等知识。学生自主探究后认为西瓜汁中含果糖较多,而天然糖中果糖的甜度最高,因此品尝起来甜,但测出来的糖含量却不高。此外,也可以鼓励学生从其他影响实验结果的角度回答问题,例如,苹果汁氧化后颜色发生变化,可能会对实验结果造成影响等。 

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3.3.2 检测蛋白质 

蛋白质检测结果如图 2 所示,等量的鸡蛋清和鹌鹑蛋清产生的紫色颜色深浅相近,肉眼观察无明显差异。学生分析,鹌鹑蛋的体积比鸡蛋小得多,而等量的 2 种蛋清中所含蛋白质含量无明显差异,所以“1 个鹌鹑蛋的营养等同于 3 个鸡蛋”的说法明显不科学。此时,再次提出问题:平时人们食用鸡蛋或鹌鹑蛋都是经过高温加热,那么加热后 1 个鹌鹑蛋的营养能否等同于 3 个鸡蛋?学生进一步开展实验探究,取等量加热后的鹌鹑蛋白和鸡蛋白打成匀浆,重复上述显色反应操作,同时启发学生可增加一组氨基酸溶液作为实验的对照组。结果发现,鹌鹑蛋白匀浆和鸡蛋白匀浆都呈现紫色且颜色深浅相近,而氨基酸溶液则呈透明近无色。学生分析,双缩脲试剂无法与氨基酸反应,加热后等量的鹌鹑蛋白和鸡蛋白营养价值依然相近。由此,引导学生进一步思考:1)双缩脲试剂检测的原理是什么?2)蛋白质加热后发生哪些改变?为什么依然能与双缩脲试剂发生反应呈紫色?这种改变对于消化道消化吸收来说有什么好处或坏处?由实验现象生成问题进一步激发学生的求知欲,驱动学生自主学习蛋白质相关知识,并在整个探究过程中发展学生的批判思维,强化基于证据论证的科学观念。

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3.3.3 检测脂肪

学生大胆尝试,将芝麻种子或火龙果种子置于载玻片上再盖上 1 片载玻片,用大拇指垂直轻轻按压至种子破裂,可以轻松制成临时装片。这种创新实验操作方法简单,成功率高。2 种种子用苏丹Ⅲ染色后在显微镜下观察,均可见许多明显的橘黄色脂肪颗粒,说明火龙果种子脂肪含量较高,理论上可以做榨 油处理。进而提出问题:为什么市面上生产的植物油有芝麻油、花生油、橄榄油,但却没有火龙果籽油?学生畅所欲言,从食品生产需要考虑的原材料、成本等角度分析,由于火龙果种子要从果肉中挑出,过程繁琐,因而即使火龙果种子含油量丰富,也没有将其投入植物油的生产中。也有学生提出是否与所含脂肪的种类有关?通过查阅资料发现,火龙果种子含油量丰富,且不饱和脂肪酸占脂肪总量的 80% 以上,这对人体细胞膜功能、基因表达和防治心血管疾病等起着重要作用。综合学生的讨论意见,最终全班学生达成较为统一的观点:火龙果种子含油量丰富,营养价值较高,但生产火龙果籽油的工序复杂,成本可能较高,因而暂没有生产的必要。 

3.4 补充实验,深入思考

完成前面的探究后,提出新问题:有人说无糖豆浆是优秀的“控糖饮料”,其蛋白质含量丰富,含糖量低,糖尿病患者也可以放心饮用。你是否同意上述观点?如何验证你的观点?学生通过前面的学习能想到用双缩脲试剂和斐林试剂分别进行检测,观察其颜色的深浅。结果发现,滴加双缩脲试剂以后豆浆呈现明显的紫色,而滴加斐林试剂并水浴加热后观察到溶液呈紫色的同时,还出现了蓝绿色的沉淀(图 3)。

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对于此现象较多学生都存在疑惑。教师引导学生思考以下问题:1)双缩脲试剂和斐林试剂的检测原理有何区别和联系?可否直接用斐林试剂来检测蛋白质?为什么?如何解释出现了蓝绿色沉淀?2)豆浆中滴加斐林试剂后观察不到砖红色沉淀,是否说明大豆中不含还原糖?3)此实验结果能否说明豆浆中蛋白质含量高而 还原糖含量低? 

以上情境的设置紧扣健康饮食主题,让学生用本节课学习的检测方法对无糖豆浆进行检测并论证其观点。在此过程中,故意预设超出学生预测的结果,抓住学生的好奇心。通过问题 1)驱动学生进一步深入理解 2 种试剂的检测原理,发展其比较思维和推理能力,最终引导学生查阅资料分析得出,由于斐林试剂和双缩脲试 剂成分相同,因此用斐林试剂检测豆浆时,溶液也会变成紫色。但由于斐林试剂中 CuSO4 过量,在加热条件下可能进一步与 NaOH 反应生成蓝绿色的碱式硫酸铜沉淀。通过问题 2)的引导, 帮助学生纠正错误概念,构建正确概念:适于进行豆浆检测的生物组织并不是只含有蛋白质而不含其他成分,细胞是由多种化学物质组成的,不同生物组织细胞中化合物的种类具有统一性,而含量具有差异性。此外,问题 3)从实验设计的一般原则出发进行设问,部分学生观察到紫色颜色深、无砖红色沉淀,则主观上认定其“蛋白质含量高而含糖量低”,实际上此实验缺乏对照,且对“高”“低”的判断标准仅停留于主观意识层面,可引导学生补充对照组完善实验,甚至鼓励学生学习其他定量检测还原糖和蛋白 质的新方法来进行后续拓展探究。



04 结语



生物科学是理性质疑和逻辑实证的过程,学生的科学思维无法脱离真实情境而发展,更无法通过被动学习而发展。本节课从科学的特点出发,创设真实情境驱动探究,引导学生在探究过程中生成新问题,鼓励学生围绕新问题继续进行自主探究,注重引导学生基于证据为观点作论证。在此过程中学生的思辨能力、批判思维、逻辑推理能力和探究能力等都得到不同程度的发展,也为后续理论知识的学习奠定了良好的基础。