美國教材如何培養學生數據分析技能

王薦 柳昭君

在學生完成實驗獲得數據后，教師可以引導學生用圖形（餅圖、柱狀圖、折線圖）來表示數據，也可以用表格來匯總數據。對數據進行分析，不僅需要用圖表來展示數據，而且需要從數據圖表中發現變量之間的關系，思考數據是否能支持先前的假設。美國教材Lab Manual Biology設計了大量數據分析的學生活動，教師可以從中獲得啟發。

1實驗：以不同脂肪酸的比較為例

1.1目標

通過分析一系列數據來了解脂肪酸的相關性質。

1.2技能聚焦

分析數據，歸類，比較，對比。

1.3建立聯系

為了保持健康，應當攝取適量的脂肪。脂肪既是能量的來源，又可以作為體內器官的減震器，同時還具有維持體溫的作用。

飲食中脂肪的種類同脂肪的數量一樣重要。魚、堅果、植物油及種子中含有較多的不飽和脂肪，一個不飽和的脂肪分子的碳原子間可形成多個雙鍵。例如，動物制品的黃油中含有較多的飽和脂肪，一個飽和脂肪分子的碳原子間只能形成單鍵。

脂肪來自于甘油和脂肪酸。表1列出了含有18個碳原子的脂肪酸的一些性質。根據表1，探究這些脂肪酸的性質。

1.4分析與總結

（1）閱讀表格：根據表1提供的數據，分析脂肪酸的性質。參考答案：相同碳原子數的脂肪酸的熔點與其中的雙鍵數量有關，雙鍵數量越多，熔點就越低。所以常溫下，硬脂酸為固態，油酸、亞油酸、亞麻酸呈液態。

（2）解釋表格：表1中的哪種脂肪酸更具有代表性的性質？

參考答案：脂肪酸的物理性質在很大程度上決定于脂肪酸烴鏈的長度和不飽和程度，長度越長，溶解度越低;雙鍵數越多，熔點越低;不飽和脂肪酸可以在雙鍵處發生加成反應，如鹵化和氫化反應，所以雙鍵數量更具有代表性。

（3）歸類：哪一種脂肪酸是飽和脂肪酸？闡述理由。

參考答案：硬脂酸是飽和脂肪酸。脂肪酸的熔點受不飽和程度的影響，在室溫下（25°C），含有12～24個碳原子的飽和脂肪酸為蠟狀固體，同樣鏈長的不飽和脂肪酸呈油狀液體。

（4）因果關系：熔點指的是某種物質從固態轉變為液態所需要的溫度。隨著雙鍵數目的增加，脂肪酸的熔點呈現什么變化？

參考答案：含有一個或多個雙鍵的不飽和脂肪酸不能像飽和脂肪酸那樣緊密組裝，因此分子間的相互作用被減弱。因為破壞有序性差的不飽和脂肪酸排列所需的熱量較少，所以熔點比相同碳原子鏈長的飽和脂肪酸低，并且對相同碳原子鏈長的不飽和脂肪酸來說，雙鍵越多熔點越低。

（5）比較與對照：若室溫是70°F，即22°C，則表1中的脂肪酸哪一些呈現液態，哪一些呈現固態？

參考答案：若室溫是22°C時，硬脂酸為固態，油酸、亞油酸、亞麻酸呈液態。

（6）分析數據：在烹煮過程中油和脂肪通常會結合形成脂肪酸。而正常人體溫約為37°C，因此對大多數人來說，熔點低于37°C的脂肪酸對人體的健康更有益。表1中所列的四類脂肪酸中哪些熔點低于37°C？

參考答案：油酸、亞油酸、亞麻酸熔點低于37°C。因此從健康的角度來看，油酸、亞油酸、亞麻酸等不飽和的植物油脂更有利于人體健康。

（7）應用概念：紅花油成分中78%是亞油酸。奶油的熔點是35°C（95°F）。起酥油100%的成分都是飽和脂肪酸。為健康著想這些物質中哪些是應該盡量避免攝食的？闡述理由。

參考答案：從健康的角度來看，奶油和起酥油都是應該盡量避免攝食的。因為奶油的熔點比較高，接近與人體體溫。起酥油都是飽和脂肪酸，同樣不利于人體健康。在日常生活中，人們倡導減少動物性脂肪的攝食，植物性油脂的攝入也要控制。《中國居民膳食指南（2016）》建議，成人每天食用烹調用油為25～30g。

1.5構建科學技能假設你在南極洲科學調查基地擔任廚師的工作。令你比較苦惱的是室外溫度為-9°C，而你想要展示紅花油中亞油酸與魚油中亞麻酸的不同。請設計一個簡單的實驗來體現二者的不同性質。

參考答案：只要將紅花油與魚油放置在室外，由于室外溫度為-9°C，亞油酸熔點為-5°C，呈固態，亞麻酸熔點為-11°C，呈液態，兩者即可加以區別。

2實驗啟示

2.1凸顯理科特質，夯實基本技能

生物學科作為自然科學，具有理科的自然屬性，分析數據、歸類、比較、對比是生物學科的課程價值所在。四種脂肪酸碳原子數量相同，鏈長相同，但由于具有不同的雙鍵導致物理性質之一的熔點不同，這從微觀層面解釋了宏觀層面差異的原因，也是化學知識在生物學科的應用，體現了跨學科的綜合性。在此學習過程中，學生經歷了多種技能的訓練，包括閱讀、解釋、歸類、因果分析、比較與對照、分析數據、應用概念等，使學生在對此材料充分利用的基礎上，獲得全面的數據分析技能的練習。朱正威先生認為：基礎知識教學，應是連續地、逐步深入地提出問題，探求其解決，從而在掌握知識體系、知識結構的過程中培養系統分析和整合的思維能力。本實驗設計圍繞表格呈現的數據，不斷設問，引導學生深入思考。教師一般應組織學生思考以下問題：實驗數據真實地反映了什么？從數據中還能提出什么問題？數據如何反映出兩個變量之間的關系？數據能支持先前的假設嗎？

2.2突出關鍵能力，培養核心素養

在強調培養能力的當下，教師不能回避學科基礎，關鍵是考慮新課改背景下的學科基礎究竟是什么，以什么方式學習學科基礎。在強調課程綜合化的大背景下，教育并不排斥以學科為基礎的綜合化。從現在大、中學教學內容來看，關鍵能力培養仍未被重視。例如，過分重視基本操作技能的培養，重視動手的規范性，卻未預見到人工智能可以替代很多現有的技術設備。教師應當在為學生打基礎時，清醒地認識到基礎不僅包括已有的知識，也應該具備發現或思考原有知識的不足和欠缺;更應該提醒學生認識到人感覺的局限性，依靠新技術創造性地應用新技術，將是培養有創新意識和批判意識的新一代人才所必須的。脂肪酸的知識屬于陳述性知識，不少教師難以設計出多樣化的活動。好的教材應該最大限度地吸引和組織學生積極參與研究和探索。美國教材提供了一個很好的范本，值得教師仿效和借鑒。

2.3體現STS思想，關注人體健康

學者韋鈺等10位世界科學教育專家共同提出科學教育10項原則，其中提到：科學教育的主要目的應該是為了使每個人能夠參與有依據的決策和采取適當的行動，這對保證他們個人、社會以及環境的健康和協調發展是重要的。生物學教學應該密切聯系學生實際，幫助他們選擇正確生活方式。俗話說：開門七件事，柴米油鹽醬醋茶。可見，油在人們日常生活中的作用，特別是在家做飯都會遇到吃什么油、吃多少油的問題，這個問題也直接關系到人們的健康。油脂中的飽和脂肪酸可由人體自己合成，在很多動物性脂肪中含量較高。若人體攝入過多，會導致血液中膽固醇的升高。血液中長期膽固醇濃度過高會產生動脈粥樣硬化。不飽和脂肪酸分為單不飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸兩種，人體無法合成。單不飽和脂肪酸主要提供熱量，多不飽和脂肪酸具有降低膽固醇的作用。肉和乳制品中富含飽和脂肪酸，許多魚類中含有高含量的多不飽和脂肪酸。因此進食蔬菜（不含膽固醇）和魚類，可以減低血液中膽固醇含量。DHA（二十二碳六烯酸），俗稱腦黃金，是一種對人體非常重要的多不飽和脂肪酸，它是神經系統細胞生長及維持的一種主要化合物，是大腦和視網膜的重要構成成分。DHA在深海魚油里含量較高，但價格昂貴，低廉的玉米胚芽油中也富含DHA，同樣可以起到健腦、降血脂等功效。美國教材在介紹了相關知識后，引導學生應用概念來區分紅花油、奶油和起酥油哪個更有利于健康，充分體現了STS思想。這既是科學素養的培養，也是人文的關懷。

參考文獻：

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