美國生物學教材中“物理和化學因素對細胞膜的影響”實驗的評析

章君果

(廣東省深圳市翠園中學 518003)

孫瑤瑤

(廣東省深圳市坪山外國語學校 518118)

1 實驗概述

“物理和化學因素對細胞膜的影響”探究實驗摘自美國中學生物學教材《生物學實驗手冊》(Biology:Laboratory Manual)[1]。該實驗的操作過程比較清晰，實驗過程的各個模塊都已經明確呈現，具體實驗的操作步驟也都詳細列出。該實驗設置的模塊如下：學習目的、相關知識介紹、實驗前思考、實驗原理、實驗材料、實驗操作過程、分析與討論及拓展延伸。整個實驗的主要內容可以概括為兩方面：實驗操作過程及實驗設問。

1.1 實驗操作過程 實驗操作過程主要從材料準備、材料處理和數據處理三個方面進行呈現。

(1)材料準備 實驗提供以下材料和用具：甜菜根，清水，熱水，冰塊，蒸餾水，丙酮，甲醇， 等滲鹽水，小刀，試管，量筒，小燒杯，三角架，石棉網，溫度計，火柴，鑷子，顏色比色卡，計時器，冰箱，冷柜，分光光度計(實驗室沒有，可以不用該儀器測量)。材料準備主要通過以下步驟和方法實施(表1)。

表1 材料準備的方法

(2)材料處理 根據表2中設置的處理類型對材料進行處理，在進行實驗處理之前推測哪種處理方式對膜損傷最大，哪種最小？將預測排名填在表2中，溫度和有機溶劑處理分開進行排名。

低溫處理時將5號試管放入5℃的冰箱中，將6號試管放入-5℃的冷凍柜中。若在你的實驗室沒有配置冰箱和冷凍柜，請將你已經標記好的試管交給老師幫助處理。30 min后，將甜菜樣品從冰箱和冷凍柜中取出，在室溫下，向每支試管各加10 mL的蒸餾水。靜置20 min后，從每支試管中取出甜菜樣品丟棄。

熱處理時從1、2、3、4號試管中取出甜菜樣品分別浸沒在70℃、55℃、40℃和20℃的熱水浴中1 min后，放回對應試管中并在室溫下各加入10 mL蒸餾水。將1～4號甜菜樣品室溫下浸沒在蒸餾水中20 min后取出丟棄。若實驗室無法提供水浴條件，可用熱水中慢慢加入冰塊或冷水來調節開水的溫度，用鑷子輕輕處理甜菜組織，切忌操作時用力過度，避免損傷甜菜細胞。

參考表2中有機溶劑的處理，分別在7支試管中對應加入10 mL有機溶劑，室溫條件下放置20 min并間斷性輕輕搖晃，直到將甜菜樣品取出丟棄。

表2 材料處理的方式

(3)數據處理 用顏色比色卡來確定樣品的顏色相對值，以數字0(無色)到10(最暗的紅色)來分別量化不同溫度處理下1～6號試管中溶液顏色和有機溶劑處理下1～7號試管中溶液顏色，并將小組的實驗結果用表格記錄，同時將小組實驗結果提供給老師便于計算班級數據的平均值。根據班級數據的最終平均值作出“溫度—顏色”曲線圖和“有機溶劑濃度—顏色”曲線圖。若有條件的學?？梢允褂梅止夤舛扔媮砝^續分析實驗數據，記錄溶液在460 nm處的吸光值，匯總班級數據，計算平均值，并繪制各樣品的“溫度—吸光值”曲線圖和“有機溶劑濃度—吸光值”曲線圖。

1.2 實驗設問 該實驗中的設問主要集中在“實驗前思考”“分析與討論”及“拓展延伸”三個模塊。這三個模塊設置的問題如表3。

表3 各模塊設置的問題

2 實驗特點分析

2.1 實驗的操作性強 該實驗在設計思路方面并沒有太高的要求，學生不需要根據參考資料和提示自己去組織實驗思路和制定實驗方案。實驗的思路及操作步驟在“實驗操作過程”模塊完整呈現，學生只要根據“清單式”的實驗步驟進行操作。實驗操作的規范性成為該實驗的一個側重點，學生需要根據實驗的步驟清單一步一步完成實驗，最后得出準確的實驗結果。

從實驗設置和材料選擇方面分析，該實驗選取的材料都是學生比較容易獲得的材料，如甜菜根、不同溫度的水、丙醇、甲醇和等滲溶液等都是中學比較常見的材料和試劑。材料的準備過程也非常詳細地列出并提示相應的注意事項。材料處理中也提供了詳細的處理方法，強調了對自變量的設置和對無關變量的控制，學生只要根據要求注意材料處理中的細節。操作過程的最后一個環節是捕獲因變量并對獲得的數據進行處理，數據處理是整個實驗操作過程中對學生要求相對較高的一個環節。捕獲因變量時需要學生用比色卡或者分光光度計獲得數據相對值，這要求學生需要理解比色法的原理，并要求學生設置表格記錄數據，且運用表格數據畫出“溫度—顏色”曲線圖和“有機溶劑濃度—顏色”曲線圖，同時理解曲線圖的意義。

從以上幾方面的分析可以看出，學生根據實驗提供的材料、步驟和方法進行操作，非常容易上手，數據處理也是按部就班，難度不大，整個實驗的操作性比較強，學生可以自主在實驗室完成該實驗的操作過程。

2.2 實驗問題設置多樣化 從表3可以看出，整個實驗設置了大量的問題，主要集中在“分析與討論”模塊。實驗設問突顯學生思維能力的培養，實驗設問是該實驗的另一個側重點。

(1)實驗問題設置多樣化首先體現在設問的點分布在實驗操作前、實驗操作過程及實驗后的拓展延伸。通過這三個模塊的問題促進學生對膜結構和物質運輸功能的理解。

(2)不同模塊設置的問題在內容的層次上也體現出多樣性。問題設置的內容具有一定層次性，逐步引導學生思考并理解實驗過程及相關原理。實驗操作前的設問主要涉及“細胞膜控制物質進出功能”的基礎知識內容；實驗操作過程中的設問主要是針對該實驗中設置的自變量及捕獲的因變量方面展開，問題設置的內容更加貼近本模塊的內容，涉及不同溫度、不同試劑和不同濃度對膜結構的影響，如對實驗數據的分析、不同處理條件實驗結果的對比，以及不同處理方法的原因闡述等；拓展延伸主要從生物學一般原理及應用方面設置的問題，引導學生根據該實驗和相關內容對知識進行外延，豐富學生的知識內容。

(3)問題設置在知識內容要求方面也呈現多樣性。設置問題對知識內容要求掌握的程度涉及到綜合運用相關知識進行分析、解釋、判斷及推理。實驗數據處理中涉及到了對實驗現象和結果進行分析，“分析”是對實驗現象和結果進行解釋的基礎。大部分問題需要學生根據一定的生物學現象和過程解釋其原理和原因，這要求學生掌握或者獲取充分的相關知識，進而組織知識之間的因果關系?！芭袛唷焙汀巴评怼币髮W生根據一定的信息推斷一種最可能的結果，這對學生的邏輯思維能力要求更高。例如，該實驗中根據實驗數據進行判斷，依據實驗結論進行推理，這類問題的設置不僅深化實驗過程，同時提升學生思維深度和廣度。

3 能力培養分析

該探究實驗側重點體現在實驗操作和設問兩方面，其具有不同的能力培養要求?！皩嶒灢僮鳌币髮W生能夠按照實驗步驟獨立完成生物學實驗，理解實驗目的、原理、方法和操作步驟，掌握相關的操作技能。詳細的實驗步驟設置似乎對學生思維能力的培養有所忽略，但注重對學生操作技能的培養，學生可以在既定的步驟中掌握相關操作技能。如果這是開放性的實驗，實驗思路和方案需要學生自己制定，實驗詳細步驟需要學生摸索，增加實驗的復雜性，就會削弱對實驗技能的培養。

“實驗設問”是針對學生思維能力的培養，包括具備驗證生物學事實的能力，能對實驗現象和結果進行分析、解釋，并能對收集到的數據進行處理。實驗中的問題設置內容不同，層次不同，對能力要求也呈現多樣化。問題主要集中在實驗結果得到以后，側重對實驗數據的處理。設問的方式明確表明具體思維能力要求包括：分析、解釋、判斷和推理，注重在分析過程中培養學生的語言組織、邏輯思維及推理能力。