廢棄海綿在生物學模擬實驗中的應用

羅敏斯 危寶華

[摘 要]教材中模擬實驗的原型實驗材料往往需要專門購買，實驗成本較大，而且也不環保。廢棄海綿的使用能解決這一問題，并且實現廢物資源化。

[關鍵詞]廢棄海綿;模擬實驗;生物學

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）02-0096-03

生物學是自然科學的一個部分，科學實驗是生物學的一種研究方法。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出，“教學過程重實踐”是生物學課程的基本理念之一，需要高度關注學生學習過程中的實踐經歷，讓學生積極參與動手和動腦的活動，通過探究性學習活動或工程學任務，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。高中生物學必修及選擇性必修課程模塊共規定了53個實驗活動。高中生物學實驗的學習具有一定的進階性，以課程標準中的“科學探究”素養為例，“水平一”僅僅要求“能夠使用簡單的實驗器具”，而“水平四”則要求“能夠恰當選用并熟練運用工具展開觀察”。面對高階層的學科實驗與應用的要求，思維相對固化的低階實驗教學就顯得力不從心。因此，教師要帶領學生對教材中的實驗進行改進，加強對常用的生物學實驗材料的了解和應用。

一、生物學模擬實驗開展的必要性

高考評價體系的“四層”中的“學科素養”指標體系包含實踐探索和創新思維。因此，在生物學教學中開展實驗教學十分必要。但生物學的研究對象大都結構多樣、功能復雜，而且生物學研究的周期普遍較長，對實驗條件也常常有較高的要求，因此在高中階段可適當采取模擬實驗來代替真實實驗。模擬實驗是指根據相似性原理，通過模擬的方法制成研究對象的模型，用模型來代替研究對象，模擬研究對象的實際情況來進行實驗的研究活動。由于生物學中有很多研究對象不便于直接進行實驗，因此模擬實驗成為生物學的一個重要的研究方法。模擬實驗既能讓學生在動手操作中加深對生物學概念的理解，又能培養學生的科學思維、科學探究能力和創新能力。

二、生物學模擬實驗選材的環保性

教材中不同的模擬實驗通常會采用不同的實驗材料，實驗材料需要專門購買，增加了實驗成本，而且這些實驗材料也不夠環保，如舊教材中的“細胞大小與物質運輸的關系”實驗用瓊脂塊模擬細胞，其中的NaOH溶液具有一定的腐蝕性;“減數分裂過程中染色體的變化”實驗用橡皮泥模擬染色體，該材料含有一定的毒性物質;“性狀分離比”的模擬實驗用彩球模擬遺傳因子，實驗材料較難分解。因此，環保性是我們選擇生物學模擬實驗材料必須考慮的因素之一。

海綿是生活中常見的物品，如廚房里的洗碗海綿、女性常用的化妝海綿粉撲（以下稱美妝蛋）、清潔用的納米海綿等，這些海綿使用率高，而且在使用一段時間后就需要更換。我們如果把這些廢棄海綿收集起來，就可以把它們作為模擬實驗的材料，既方便模擬實驗的開展，又可以實現廢物利用，同時還能培養學生的環保意識、品德修養以及社會責任感，有利于落實“立德樹人”的根本任務。

三、廢棄海綿在生物學模擬實驗中的應用案例

（一）“細胞大小與物質運輸的關系”模擬實驗

“細胞大小與物質運輸的關系”實驗選自人教版高中生物學必修1第6章第1節“細胞的增殖”。海綿有無數細小孔隙，能吸收水分。美妝蛋的吸水和蓄水能力較好，且吸水速度適中，比洗碗海綿和納米海綿稍慢，便于實驗操作，所以在“細胞大小與物質運輸的關系”模擬實驗中，比較適于用作實驗材料的是廢棄美妝蛋。用未剪切的大美妝蛋模擬單細胞生物，經剪切而成的小美妝蛋加起來模擬總體積相等的多細胞生物，通過比較相同時間內（約6 s）美妝蛋的吸水量來探討細胞大小與物質運輸的關系。

實驗材料：廢棄美妝蛋2個、塑料網袋2個、200 mL燒杯2個、100 mL量筒2個、50 mL量筒1個、剪刀一把、食用色素一瓶、清水適量。

實驗步驟：

（1）準備兩個材質、體積相同的廢棄美妝蛋。把其中一個美妝蛋直接裝進一個塑料網袋中，標記為甲組;把另一個美妝蛋平均剪成16份后全部裝進另一個塑料網袋中，標記為乙組。

（2）往兩個200 mL的燒杯中分別倒入150 mL清水。

（3）分別用左右手拿著兩組美妝蛋連同塑料網袋一起同時放進兩個燒杯中，確保清水沒過美妝蛋，浸泡6 s。用手輕壓美妝蛋避免其浮于水面。

（4）取出美妝蛋，觀察燒杯中的剩余水量。為便于觀察，可向燒杯中滴入兩滴食用色素，搖勻后將含有色素的水分別倒進兩個100 mL量筒，觀察甲、乙兩組的液面高低，并記錄剩余水量，如果液面超出量程，可借助50 mL量筒讀取剩余水量。

（5）擠出美妝蛋中的水分，可用紙巾輔助吸干，重復以上步驟2次。

多次實驗結果均為甲組量筒液面比乙組量筒液面高，從而得出相同時間內甲組吸水量比乙組少，即當體積相同時，美妝蛋表面積越小，其表面積與體積之比越小，物質運輸效率越低。最終得出結論：細胞越大，物質運輸效率越低。

（二）“有絲分裂和減數分裂過程中染色體的變化”模擬實驗

有絲分裂和減數分裂是一個染色體動態變化的過程，微觀而不易觀察，視覺效果難以達到理想的要求。教材為了讓學生模擬實驗的過程，利用了橡皮泥來制作染色體，其缺點是不夠清潔，也不能有效模擬染色體的動態變化過程，而海綿具有可塑性且環保，用不同顏色的廢棄海綿可以很好地模擬大小不同的染色體組。

用相同材質的兩種顏色（黃色和粉色）的廢棄海綿剪出4條黃色染色單體和4條粉色染色單體，其中2條黃色染色單體和2條粉色染色單體較短，另外2條黃色染色單體和2條粉色染色單體較長。把顏色、長度相同的兩條染色單體并排放置，用透明膠把磁鐵固定在染色單體中央代表著絲點，互相吸附在一起的磁鐵代表減數分裂開始時已完成復制的染色體（也可用回形針夾在染色體中央代替磁鐵），形狀、大小相同的染色體模擬一對同源染色體。在紙上畫出細胞的輪廓、中心體和紡錘體。這樣可以讓學生更直觀地了解染色體組的概念和染色體復制的過程。

（三）“性狀分離比”模擬實驗

“性狀分離比”模擬實驗是人教版高中生物學教材必修 2第 1 章第 1 節“孟德爾的豌豆雜交實驗（一）”中的一個實驗。通過模擬實驗，學生可認識和理解遺傳因子的分離和配子的隨機結合與性狀之間的數量關系，體驗孟德爾的假說。

將相同材質不同顏色（黃色和粉色）的廢棄海綿分別平均剪成40塊，在兩個盒子中裝入黃色和粉色海綿塊各20塊，黃色代表D配子，粉色代表d配子。搖動兩個盒子，使海綿塊充分混合。分別從兩個盒子中抓取一塊海綿塊，記下兩塊海綿塊的字母組合。將抓取的海綿塊放回原來的盒子內，搖勻，重復剛才的步驟50[～]100次。接著，將所有代表D配子和d配子的海綿塊置于同一個盒子內。另外，再剪顏色不同、大小相同的海綿塊，分別寫上E和e，模擬另一對同源染色體的配子。將等量的E和e兩種配子的海綿塊置于另一盒子內，從兩個盒子中各抽取一塊海綿塊，記錄組合情況，模擬基因的自由組合。

本實驗，其他教師多用彩球、豆子、圍棋、撲克牌、白紙等作為配子。筆者認為，選用廢棄海綿，材料易得，十分環保，而且更容易實施模擬實驗。

（四）“DNA雙螺旋結構模型”模擬實驗

人教版高中生物學必修2第3章第2節“DNA分子的結構”中介紹了DNA雙螺旋結構模型的構建和DNA雙螺旋結構的主要特點，安排了模型建構活動——“制作DNA雙螺旋結構模型”，旨在通過讓學生制作DNA雙螺旋結構模型，加深其對DNA分子結構特點的理解和認識。引導學生模擬構建DNA雙螺旋結構的物理模型，不僅有利于學生加深對DNA分子結構的了解，還能很好地培養學生的建模能力。

對于“DNA雙螺旋結構模型”模擬實驗，教材利用的實驗材料有球形塑料片、雙層五邊形塑料片等，這些材料市場同類產品少，在日常生活中不易找到。對此，可用廢棄海綿剪出圓形、五邊形、長方形的形狀，分別模擬磷酸、脫氧核糖和堿基，并標上堿基種類，用牙簽模擬各種化學鍵。由于海綿具有一定厚度，因此可將牙簽直接插入海綿，代表各部分結構通過化學鍵相連。在脫氧核苷酸中磷酸和脫氧核糖的連接部分，可將牙簽對折，使模型更逼真。做好平面結構后，可將其扭轉得到DNA雙螺旋結構的立體模型。這樣，不僅節約了成本，還更加形象逼真。該方法簡單易行，不僅克服了該模塊教學中困擾師生的實驗材料問題，還打破了學生拘泥于教材的思維定式，有效培養了學生的發散性思維和創新意識。

（五）“自然選擇中天敵捕食對種群的影響”模擬實驗

“自然選擇中對種群基因頻率變化的影響”實驗源自人教版高中生物學必修2第7章第2節“現代生物進化理論的主要內容”，“自然選擇中天敵捕食對種群的影響”實驗是此實驗的拓展延伸。在對自然選擇的學習中，學生需要更形象地理解“天敵捕食對種群的影響”。在模擬實驗中，可將黃色和白色的廢棄海綿分別平均剪成30份，模擬種群中不同表現型的個體。在甲盒子中放入白色的碎紙條，在乙盒子中放入黃色的碎紙條，分別模擬不同的自然環境。將剪好的海綿塊先放進甲盒子中混勻，讓學生扮演捕食者的角色，在30 s時間內找海綿塊，記錄找出的不同顏色海綿塊的數量。再把所有海綿塊取出，放進乙盒子中混勻。重復以上操作，最后算出不同自然環境中不同個體的存活率。此模擬實驗有利于學生理解“直接受選擇的是個體的表現型而非基因型”，讓學生初步體驗自然選擇的作用。

（六）“標志重捕法”模擬實驗

在人教版高中生物學必修3第4章第1節“種群的特征”的學習中，學生對于標志重捕法的操作步驟以及計算方式的理解有一定的困難，應當讓學生通過實地調查來體會和運用。為了避免方法論被教師當作知識來灌輸，也可以通過模擬實踐活動得出有關科學方法，以此培養學生的實踐能力。因此，可這樣設計相關的模擬實驗：準備相同材質不同顏色（黃色和粉色）的廢棄海綿，黃色海綿3塊，粉色海綿1塊，將黃色海綿剪成多份，將粉色海綿剪成20份，在剪的過程中確保兩種顏色的海綿均有大有小，模擬種群中不同大小的個體。全部海綿塊模擬一個種群的全部個體，用粉色海綿塊模擬第一次被捕捉后標記的個體。將兩種顏色的海綿塊放在盒子里混勻，重新抓取一定數量的海綿塊，根據其中粉色海綿塊的數量占抓取的海綿塊總數量的比例來估計種群個體數，由此增減模擬的數量和次數，幫助學生推導出標志重捕法的數學模型。

（七）“染色體變異”模擬實驗

“染色體變異”實驗源自人教版高中生物學必修2第5章第2節。染色體變異包括染色體結構變異和染色體數目變異，染色體結構變異又分為缺失、重復、易位和倒位4種類型。學生比較容易理解缺失和重復，但對于倒位和易位則存在一定的理解困難，因此構建相關物理模型幫助學生理解很有必要。在模擬實驗中，可用相同材質不同顏色的廢棄海綿剪出2條不同顏色的染色體，中間用回形針夾住模擬著絲點，其中一條染色體表面寫上a、b、c、d、e、f，另一條染色體表面寫上g、h、i、j、k、l，這些字母代表染色體上的基因。在模擬染色體易位時，將兩條染色體的某一片段交換位置，最終得到其中一條染色體上的基因順序為a、b、c、k、l，另一條染色體上的基因順序為g、h、i、j、d、e、f。在模擬染色體倒位時，將其中一條染色體左右兩臂顛倒位置，使基因順序由原來的a、b、c、d、e、f變為a、e、d、c、b、f，接口處可用牙簽插入直接連接，方便快捷。模擬缺失、重復以及染色體數目變異則更為簡單，在此便不再贅述。有些教師會用卡片進行模擬實驗，但是在模擬染色體結構變異時，需要用膠布對染色體接口進行粘貼，操作不便，且粘貼后不利于二次使用。用廢棄海綿和牙簽則可以很好地解決這個問題。

總之，日常生活中可回收再利用的材料除了廢棄海綿，還有很多，如吸管、包裝用紙、辦公用紙、廣告用紙、飲料瓶、購物袋、包裝盒、舊衣物、一次性塑料餐具、牙刷、杯子、礦泉水瓶、桌布、洗臉巾、書包、鞋等，這些都可用來做模擬實驗的材料。生物學模擬實驗也還有很多，可以是教材給出的模擬實驗，也可以是教師開發的與知識點相關的模擬實驗。開展各類模擬實驗，既有利于學生對模型原型的理解，又可以提高學生的實驗技能和動手能力，培養學生的科學探究精神。有效利用廢棄的材料開展生物學實驗，既能拓展學生的創新思維，培養學生的環保意識和觀察生活的能力，又能讓學生體會到生物學源于生活而高于生活。

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（責任編輯 黃春香）

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