高中生物學研究性學習活動的探索*

畢可雷 王 玲

（北京市第一六一中學 北京 100035）

2017年北京進入第2 批高考綜合改革試點，生物學課程正式進入高一學段。生物學課程面臨周課時少、課堂間斷性大、課程銜接困難的問題，如何利用課外時間，開發一套既能促進課堂教學，又能培養學生核心素養的活動，成為高中生物學教師必須思考的問題。

北京市教育委員會發布的《普通高中2017 級生物課程指導意見》中指出：注重在實踐過程中從生命觀念、理性思維、科學探究和社會責任等方面發展學生的學科核心素養。讓學生積極參與動手和動腦的活動，通過探究類學習活動，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力，培養創新精神，進而能用科學的觀點、知識、思路和方法，面對和解決現實生活中的某些問題。生物學研究性學習正是以科學探究的形式，從科學問題出發，通過親身體驗獲得實際經驗的一種活動；因其具有開放性、綜合性、實踐性等特點，在培養學生的探究學習意識及理性思維能力方面具有顯著優勢［1］。本文以“蛋白質種類多樣性”為研究主題，利用課外時間開展研究性學習活動，以期對學生生物學核心素養的提高有所幫助。

1 研究方法

1.1 主題選定原則 蛋白質是細胞內最重要的生物大分子之一，蛋白質的結構多樣性的原因是教學中的難點。在實際教學中為突破這一難點，可通過實驗探究的方法讓學生觀察多種多樣的蛋白質。不同種蛋白質因含有的氨基酸種類、數目不同，導致其分子量也不同；學生在這些已有知識的基礎上，通過文獻調研，發現用變性蛋白質電泳的方法可檢測蛋白質的種類，由此確定了研究主題和研究方法。本文以結構簡單、學生熟知的大腸桿菌和酵母菌為研究對象，以檢測真核、原核細胞中蛋白質種類為研究主題，通過實驗探究，增強學生對微觀世界的了解，提升生物學學習的興趣,培養學生探究學習意識和理性思維能力。

1.2 實驗方法

1.2.1 微生物培養 微生物培養分為液體培養和固體培養2 種，學生首先需要配制固體和液體2 種培養基,并完成高壓滅菌操作。實驗中要設置對照實驗，運用平板劃線法完成2 種微生物的固體培養；挑取培養平板上的單克隆菌落,將其接種在液體培養基中，完成液體培養。在本文中，培養大腸桿菌的培養基簡稱LB，培養酵母菌的培養基簡稱YPD。

1.2.2 細胞裂解 蛋白質存在于細胞中，為了檢測蛋白質的種類，必須首先將細胞進行裂解，實驗室中常用超聲破碎法裂解大腸桿菌細胞；而酵母菌細胞壁較厚,成分復雜,常用玻璃珠機械破碎法進行裂解［2］。

1.2.3 蛋白質電泳 蛋白質電泳是檢測蛋白質種類的一種分子生物學研究手段。實驗前學生研究了配制凝膠所需的化學試劑，并結合化學知識了解各種組分在本實驗中的作用。學生在配制凝膠的過程中,初步掌握了凝膠形成的過程及電泳的原理,它是通過分子量差異將不同種類蛋白質進行區分的。電泳前，先用分光光度計測定2 種全細胞裂解液的蛋白質濃度，以280 nm 處的吸光值為測定參數（即A280），測定的大腸桿菌裂解液蛋白質濃度為16 mg／mL；酵母裂解液蛋白質濃度為22 mg／mL。用裂解緩沖液將酵母全細胞裂解液濃度稀釋至16 mg／mL。然后各取10 μL 全細胞裂解液與10 μL 2 倍濃度的上樣緩沖液混合，將混合液置于95°C 水浴鍋中加熱5 min，再離心取上清液各10 μL，依次加入上樣孔中進行電泳。設置恒壓電泳60 min，然后取下凝膠，先用考馬斯亮藍染色2 min，再脫色20 min，即可得到實驗結果。

2 結果討論

2.1 觀察比較2 種微生物的菌落形態 微生物菌落的形成是細胞增殖的結果，本實驗將肉眼看不見的微生物在適當條件下進行培養，可獲得單克隆菌落，如圖1～圖4所示；學生通過比較2 種菌落發現：1）菌落氣味不同。大腸桿菌菌落沒有酒精氣味，酵母菌菌落有酒精的氣味；再通過分析2 種微生物的培養基成分，發現酵母菌培養基中有葡萄糖，它是酵母菌進行無氧呼吸產生酒精的主要底物,而大腸桿菌沒有此代謝途徑；2）菌落的大小不同。大腸桿菌菌落平坦、較小，而酵母菌菌落隆起、較大,在同樣培養條件下,導致2 種微生物菌落大小差異的原因,經分析可能與真核、原核細胞大小有關，一般大腸桿菌細胞大小約為1 μm×3 μm，酵母菌細胞大小為5 μm×30 μm［3］。因此微生物菌落的氣味和大小是微生物菌種鑒定的重要依據。表1是2 種微生物的菌落特征比較。

圖1 大腸桿菌培養平板空白對照

圖2 用平板劃線法培養的大腸桿菌菌落

圖3 酵母菌培養平板空白對照

圖4 用平板劃線法培養的酵母菌菌落

表1 比較大腸桿菌和酵母菌的菌落特征

2.2 比較分析真核、原核細胞中蛋白質種類的差異 變性蛋白質電泳是根據蛋白質分子量的不同將蛋白質進行區分的。蛋白質分子量越大,在聚丙烯酰氨凝膠上移動速度越慢，反之則越快。圖5為蛋白質電泳圖。從圖中可對大腸桿菌與酵母菌中的蛋白質進行比較，學生可非常直觀地觀察到不同樣品中蛋白質條帶的數目、粗細及位置，這些信息也相應地代表了蛋白質種類、含量及不同種蛋白質的分子量。通過對圖5的觀察，在2 種全細胞裂解液濃度一致及上樣量相等的情況下，大腸桿菌細胞中的蛋白質條帶數目明顯多于酵母菌，結果表明：原核細胞蛋白質種類高于真核細胞；但這與課內理論知識是相矛盾的，通過課內學習可知：酵母菌作為真核細胞，含有多種細胞器，生命活動過程復雜，理論上蛋白質種類要高于大腸桿菌細胞，由此矛盾引發學生思考，并通過查閱文獻得出合理解釋。究其原因可能是：1）酵母細胞中蛋白質結構復雜，破碎后在裂解液中構型不穩定，有部分蛋白質變性而沉淀，在電泳凝膠上檢測不到這部分變性蛋白質［4］；2）2 種細胞破壁所用的方法不同，導致細胞內不同分子量的蛋白質的釋放量有差異。雖然樣品中總蛋白質的含量相同，但細胞破碎程度不同，不同分子量蛋白質釋放不同，對總的結果有影響。通過此實驗不難得出結論：真核細胞中蛋白質結構更復雜，蛋白質是生命活動的主要承擔者。

圖5 蛋白質電泳結果

實驗教學是促成學生提升生物學核心素養的重要支撐。在設計實驗時要更加注重定量實驗，讓學生在量的變化中了解生命的本質。此類以探究為主的研究性學習，不但可有效落實理性思維和科學探究等核心素養，而且在活動中教師不斷滲透科學技術與社會的關系，這對于生命觀念和社會責任的培養也具有重要作用。

3 評價總結

活動評價對于活動開展的效果評估具有非常重要的作用。通過評價可促進學生獲得自主參與研究探索的體驗，激勵培養學生的合作與交流，同時也可促進教師加強理論學習，引導教學進程［5］。活動評價要貫穿活動的始終，做到與活動進程同步。因此在實踐過程中，教師主要從以下3 個方面做好活動評價。

1）評價方式多樣化。課堂教學中紙筆測試是教師經常采用的評價方式，但在課外活動中，受活動場地、時間等限制，教師要運用多元評價方式評估學生的成果。例如，采取觀察、談話、調查等形式，收集學生活動過程中的資料、出勤情況、活動感受等，做成學生專屬檔案袋，以學生的實際表現作為判斷學習質量的依據。

2）評價內容多元化。評價內容包括學生參與活動的態度，在活動中獲得的體驗，研究方法和技能的掌握，學生創新精神和實踐能力的發展等；做到定性與量化評價結合。例如，有的學生在活動感想中寫道：“本次實驗最大的收獲就是體會到了做科學實驗過程中的嚴謹認真、一絲不茍的態度；對于實驗,不只在于動手操作，而且要有自己的思考，即使是生物學實驗，也運用了物理學、化學、數學的知識，明白了生物學是一門綜合的學科，需要廣博的知識。我認為在實踐中學習是最好的學習方法，更益于加深記憶”。由此可見，評價內容的多元化可促進教師和學生共同進步。通過評價，教師意識到學生具有開展生物學實踐活動的意愿，有效落實了課程目標，調動了教師繼續開展活動的積極性；同時學生從內心認可了實踐活動，強化了學習的興趣。

3）評價主體多位化。評價主體不只是教師，也包括學生或學習小組、家長等，要自評與他評相結合［6］。教師可在學校內設計作業評比展板，或建立活動微信群；將學生的活動報告或感想進行公開展示，讓學生在作業互評中相互學習，取長補短，促進所有學生的成長與進步。

研究性學習可促進學生學習方式的轉變，變被動學習為主動學習，培養學生的理性思維、提升科學探究能力，這對于生物學核心素養的形成具有非常重要的作用。研究性學習活動構建了一種理論知識聯系生活實踐的課程體系，創設了一種理解和應用知識的學習情境，為今后選考生物學及有志從事生命科學研究的學生提供實踐機會，幫助學生確定未來的發展方向。