探索高中生物实验改进研究

团队研修教案——探索高中生物实验改进研究团队活动记录1．课题的提出生物学实验是学生获取生物知识的最有效手段之一，同时在对学生整体素质的提高方面，也起到了非实验教学无法替代的作用。现行的生物课本中安排的生物实验仍有不少的遗憾，如：实验方法陈旧，跟不上时代发展等。翻看国外及港台的中学生物实验指导，其中我们教师大学时代才接触到实验有很多，如果蝇的培养实验、利用小白鼠的多种实验、蛋白质的双缩尿试验、还原糖的斐林试剂实验等等，且实验更注重研究性与实验设计的科学性，不少的实验材料及实验器材已经更新。反观我们的实验教材，确实有一种跟不上时代发展的感觉。所以应从实验教材的改革入手，做些适应当前素质教育要求的必要调整，遵循“以学生发展为本”的原则。高中生物新教材中增添了许多实验内容，意在通过加强实验教学，培养学生的动手能力、科技创新能力以及探索科学知识的方法技巧，这非常好也非常必要。但在教学过程中，通过反复实验验证，发现教材中一些实验操作不太合理，需加以改进和创新。2、研究的目的与理论依据生物科学和其他自然科学一样，本质上是实验科学。实验教学是生物学教学的基本形式之一，课程标准所倡导的探究性学习，有许多活动也是通过实验来进行的。实验教学就需要对生物学实验室，基本的实验器材和条件，还有实验的动植物、微生物材料不断的设计与改善。新课程标准在“课程资源的开发利用”中指出：“应高度重视学校生物学实验室建设，积极营造良好的实验、实践环境，同时也应鼓励学生和教师充分利用身边廉价的器具和材料，设计富有创造性的实验和实践活动。”实验室的科学设计，设备配置，乃至管理，都需要生物学教师出主意、想办法。对于实验教学，教师们是很有经验的，因此，这里仅提出加强和改进方面的一些意见。3．课题主要研究方法和过程3．1研究方法3．1．1、资料法。广泛搜集、阅读、研究高中生物实验原理和实验改进的实例，从中借鉴经验。3．2．2、对比法。以对比研究的形式，组织同一课内容在平行班级做不同处理改进的研究课、通过对比研究，进一步观察实际效果和出现的问题。3．3．3、经验总结法。及时总结经验，概括提炼出可供多实验改进借鉴的一般“原则”和“方法”。3．2研究过程3．2．1问题发现实验七“pH对酶活性的影响”，该实验设计用斐林试剂来检测淀粉是否被催化水解为还原性糖，从而验证不同pH对酶活性的影响。这样设计有缺陷，因为斐林试剂就是新制的氢氧化铜悬浊液，氢氧化铜遇酸发生中和反应，导致实验失败。故在实验过程中改用碘液来验证淀粉是否被水解，结果实验仍然失败。3．2．2原因分析分析如下：试管2：新鲜的淀粉酶溶液1mL+5%NaOH溶液1mL+可溶性淀粉溶液2mL，保温，用碘液检验无颜色变化，说明淀粉已水解。是淀粉酶催化淀粉水解的吗?不是，在这种碱性（pH约为13～14）条件下淀粉酶已失去活性。那淀粉为什么会水解?原因是碱可作为淀粉水解的催化剂，在NaOH的催化作用下，淀粉迅速水解。试管3：新鲜的淀粉酶溶液1mL+5%HCl溶液1mL+可溶性淀粉溶液2mL，保温，用碘液检测显紫色或无色。若保温的温度较低，试管中呈紫色；若保温的温度稍高（不影响酶的活性，1号试管对照可知），则试管中加碘液为无色，这又说明淀粉已水解。但淀粉酶在强酸性环境中已失去活性。究其原因：淀粉在酸作催化剂和加热的条件下水解。高中化学第二册（新教材）P.191实验7～4即有验证。3．2．3实验改进方案本实验有多处设计不合理，需要重新设计。可用如下的创新小实验来代替实验七。创新：探索pH对酶（过氧化氢酶）活性的影响。实验原理：新鲜的肝脏中含有过氧化氢酶，可催化过氧化氢水解成水和氧气。3．2．4改进设计方法步骤：（1）取3支洁净的试管，编上号，并分别按下表中序号1至序号4的要求操作。（2）振荡这3支试管，使试管内的液体混合均匀，等3min～5min。（3）在3支试管内各加入2mL3%的过氧化氢溶液。轻轻振荡，使试管内的物质混合均匀。（4）观察这3支试管内的变化，记录哪支试管产生的气泡多，反应快。实验结果：1号试管反应剧烈，气泡最多；2号试管气泡很少；3号试管几乎不产生气泡。3．2．5结论：用不同pH对过氧化氢酶活性的影响，催化过氧化氢水解成水和氧气代替淀粉被催化水解为还原性糖。上述实验说明，过酸过碱都影响过氧化氢酶的活性，过氧化氢酶的催化作用需要适宜pH值。4．研究的成果与分析4．1实验材料的改进“观察叶绿体与细胞质流动”教材建议的实验材料是藓类和菠菜，这两种实验材料不理想主要是比较难取材，或者取材受季节限制，实验证明韭菜是比较理想的观察叶绿体的实验材料。具体实验步骤是：选取绿色饱满、新鲜的最好是露生的韭菜叶片，用刀片在叶背面横切一下，用镊子从此处撕取下表皮，用刀片取稍带绿色叶肉的一小段，放于载玻片的清水滴中，盖盖玻片。在低倍镜下找到装片上叶肉细胞重叠少，即颜色稍浅的部分，此处容易观察到叶绿体（叶绿体大部分分布在叶肉细胞边缘）。再换高倍镜观察。用韭菜做实验材料的好处是：取材容易，不受季节限制，观察到的叶绿体多而清晰。“观察植物细胞的有丝分裂”教材中给出的实验材料是洋葱，经过的实验比较，发现用大蒜代替洋葱容易生根而且生根量是洋葱的许多倍，这样既节省开支又方便实验。4．2实验材料预处理“观察植物细胞的质壁分离和复原”这个实验中所采用的试验材料是紫色洋葱，选用紫色洋葱作为实验材料的目的是因为紫色洋葱的细胞液中含有的色素使其呈现为紫色，这样便于学生观察实验结果。但在实验过程中存在着这样两个问题影响到实验的效果：一是每个洋葱的最外一层鳞片叶紫色深，越往里颜色越浅，最里面近似白色。如果想获得理想的实验结果，最好只用外面的一层或两层鳞片叶，但这样做浪费太大。二是越往里鳞片叶越嫩，叶肉细胞与表皮细胞结合越紧密，不容易分离。学生在撕表皮细胞时，往往撕得不完整，将细胞撕破，并且带有很多叶肉细胞，不利于学生观察。在实验中改进如下，首先把洋葱纵剖，一分为二，把鳞片叶从鳞茎上全部剥离下来，然后放在解剖盘或其它器皿中，让每片鳞片叶的上表皮朝外，放到窗台上晒1～4天，这样叶片通过蒸腾作用蒸发掉一部分水分，叶片变软，使得叶肉细胞与表皮细胞接合不紧密，便于撕下完整的表皮细胞。再者是通过蒸发水分，液泡中色素的浓度增大，颜色加深，实验效果明显。但在晒制的过程中要特别注意，一不要放在太阳底下爆晒，二不要晒制的时间过长。如果洋葱表皮细胞失水过多，虽然颜色加深，但已发生了质壁分离，容易给学生造成错觉。4．3实验药品的改进“生物组织中可溶性还原糖、脂肪和蛋白质的鉴定”中，脂肪的鉴定，教材中给出的实验药品是苏丹Ⅲ染液，染色时间2分钟至3分钟，实验现象是橘黄色。但市场上不容易购到苏丹Ⅲ，容易购到苏丹IV染液，如果用苏丹IV染液，由于后者与脂肪的亲和力更强，染色时间比较短，一般为2到3分钟左右，实验现象为红色。4．4调整实验顺序“生物组织中可溶性还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定”包括三个小实验，若按教材实验顺序，从学生实际操作来看，做得非常紧张、忙乱，因为第二个实验涉及到了高倍显微镜的使用，而对这部分内容，学生以前并没有接触；还有初中阶段学生对于显微镜使用的机会不多，即使有用到显微镜的地方，也只不过在低倍镜下用用而已,所以,做实验时对高倍物镜的使用非常生疏，有的同学还没有来得及观察到现象，因为时间的原因，就必须停止进行，开始做下一个实验。结果后两个实验完成得都不太理想。把三个实验的顺序做了一下调整：先做第三个，再做第一个，后做第二个。或把脂肪鉴定实验与叶绿体与细胞质流动实验，同时熟悉显微镜的操作4．5改进取材方法对“脂肪的鉴定”实验中，建议为学生每人准备一小段胶皮管，大约3cm长，沿管用剪子将其冲开。在做徙手切片实验时，让学生把它套在食指的指肚一侧，这样取材时可以避免学生切伤手指；同时由于有保护措施，学生也敢于大胆操作。4．6实验步骤顺序改变“叶绿体中色素的提取和分离”实验的第一步提取绿色叶片中的色素，要用到丙酮（有一定的毒性且容易挥发），虽然是迅速研磨，但由于丙酮挥发比较快，如果按教材中实验步骤，往往还没有充分研磨，丙酮已经基本挥发完毕，既伤害身体，实验效果也不好。可将实验步骤改为：在研钵中放人叶片和二氧化硅以及碳酸钙后，就开始迅速研磨，研磨后再放入丙酮使色素溶解。“观察植物细胞的有丝分裂”中“剪取2—3mm根尖”步骤的改变。教材中装片制作过程：解离——漂洗——染色——制片。其中在解离这一步骤就将根尖切取2一3mm，在以后的几个步骤当中都要用镊子取放2—3mm的根尖，因为根尖太短小给操作带来很多不方便。为此可在解离这一步骤将根剪取长一些，比如Icm左右到制片这一步，将染过色的Icm左右的根放到载玻片上，再把它切成2－3mm，加清水。4．7实验操作改变“观察植物细胞的有丝分裂”装片制作”过程第四步“制片”的改进。此步骤教材中是盖上盖玻片以后，在盖玻片上加一片载玻片，用拇指轻轻压载玻片，以便使细胞分散开来。在做这一步骤时往往有一部分同学不能做成功，或者在把盖玻片上再盖的载玻片取下来时，标本移动了，或者细胞分散不好。在做这一步时可以取消在盖玻片上加一片载玻片，用拇指轻轻压载玻片，教材实验一、实验六及实验七中皆有用斐林试剂验证还原性糖的存在，操作中都用水浴加热至煮沸1min，结果得不到砖红色的氧化亚铜沉淀，而得到的是黑色氧化铜沉淀。究其失败的原因是：氧化亚铜极不稳定，在缓慢水浴加热过程中被氧气氧化生成ＣｕＯ；Ｃｕ（ＯＨ）２在缓慢水浴加热过程中分解也生成CuO而失去与还原性糖发生氧化还原反应的能力。改进：将水浴加热改为直接加热至沸腾。4．8实验材料培养方法、用具“观察植物细胞的质壁分离和复原”教材中用洋葱放在盛水的烧杯上，于温暖处培养。此培养过程较麻烦：须经常换水，且水质容易变差，变差后不仅影响出根，又影响已出根的正常生长。培养时可以采用面积较大、平扁的容器，如托盘。在托盘上用铁丝拉出线格，将洋葱放在上面，盛水培养，出根效果很好。此培养方法有以下优点：利于洋葱出根，盛水量较大水质维持时间较长，而且换水方便。用市售网眼较大的铁丝网培养出大蒜根代用，效果也很好。4．9学科综合“可溶性还原糖鉴定”用显微镜观察砖红色沉淀（氧化亚铜）的晶体结构，能使学生将生物与化学有机统一起来，并使学生从微观上认识化合物的形状。4．10实验创新“DNA的提取与鉴定”不需要特别的设备，甚至在厨房里都能做：只要有洗涤灵、食盐、酒精即可。洗涤灵可以溶解洋葱的细胞壁，食盐保持溶液中的盐度与细胞液相当，酒精则可以萃取DNA。实验步骤为：先将10毫升加了盐的洗涤灵放入100克剁碎的洋葱中，捣碎后将洋葱过滤倒入烧杯，将澄清的溶液加入等量酒精后轻轻摇动，DNA将会以白色的“毛絮状”出现。但这种简单的方法更适合于中学生。5．总结与反思实验教学和一般的授课有不同的要求，而生物教材又往往受到地方性和季节性的限制，有些生理性实验还需要较长的时间才能看到结果。因此课前结合实际进行准备与重新设计工作就显得尤为重要，需要从实验材料、操作程序等方面进行改进、创新。除了部分实验设计缺陷，方法陈旧外，由于目前生物实验材料、方法、操作过程限制过多,探索创新的余地过少,和时间或实验条件的限制导致高中生物实验课前准备与设计不够；忽视操作、技能的改进。