美国生物学教材中“物理和化学因素对细胞膜的影响”实验的评析

章君果

(广东省深圳市翠园中学 518003)

孙瑶瑶

(广东省深圳市坪山外国语学校 518118)

1 实验概述

“物理和化学因素对细胞膜的影响”探究实验摘自美国中学生物学教材《生物学实验手册》(Biology:Laboratory Manual)[1]。该实验的操作过程比较清晰，实验过程的各个模块都已经明确呈现，具体实验的操作步骤也都详细列出。该实验设置的模块如下：学习目的、相关知识介绍、实验前思考、实验原理、实验材料、实验操作过程、分析与讨论及拓展延伸。整个实验的主要内容可以概括为两方面：实验操作过程及实验设问。

1.1 实验操作过程 实验操作过程主要从材料准备、材料处理和数据处理三个方面进行呈现。

(1)材料准备 实验提供以下材料和用具：甜菜根，清水，热水，冰块，蒸馏水，丙酮，甲醇， 等渗盐水，小刀，试管，量筒，小烧杯，三角架，石棉网，温度计，火柴，镊子，颜色比色卡，计时器，冰箱，冷柜，分光光度计(实验室没有，可以不用该仪器测量)。材料准备主要通过以下步骤和方法实施(表1)。

表1 材料准备的方法

(2)材料处理 根据表2中设置的处理类型对材料进行处理，在进行实验处理之前推测哪种处理方式对膜损伤最大，哪种最小？将预测排名填在表2中，温度和有机溶剂处理分开进行排名。

低温处理时将5号试管放入5℃的冰箱中，将6号试管放入-5℃的冷冻柜中。若在你的实验室没有配置冰箱和冷冻柜，请将你已经标记好的试管交给老师帮助处理。30 min后，将甜菜样品从冰箱和冷冻柜中取出，在室温下，向每支试管各加10 mL的蒸馏水。静置20 min后，从每支试管中取出甜菜样品丢弃。

热处理时从1、2、3、4号试管中取出甜菜样品分别浸没在70℃、55℃、40℃和20℃的热水浴中1 min后，放回对应试管中并在室温下各加入10 mL蒸馏水。将1～4号甜菜样品室温下浸没在蒸馏水中20 min后取出丢弃。若实验室无法提供水浴条件，可用热水中慢慢加入冰块或冷水来调节开水的温度，用镊子轻轻处理甜菜组织，切忌操作时用力过度，避免损伤甜菜细胞。

参考表2中有机溶剂的处理，分别在7支试管中对应加入10 mL有机溶剂，室温条件下放置20 min并间断性轻轻摇晃，直到将甜菜样品取出丢弃。

表2 材料处理的方式

(3)数据处理 用颜色比色卡来确定样品的颜色相对值，以数字0(无色)到10(最暗的红色)来分别量化不同温度处理下1～6号试管中溶液颜色和有机溶剂处理下1～7号试管中溶液颜色，并将小组的实验结果用表格记录，同时将小组实验结果提供给老师便于计算班级数据的平均值。根据班级数据的最终平均值作出“温度—颜色”曲线图和“有机溶剂浓度—颜色”曲线图。若有条件的学校可以使用分光光度计来继续分析实验数据，记录溶液在460 nm处的吸光值，汇总班级数据，计算平均值，并绘制各样品的“温度—吸光值”曲线图和“有机溶剂浓度—吸光值”曲线图。

1.2 实验设问 该实验中的设问主要集中在“实验前思考”“分析与讨论”及“拓展延伸”三个模块。这三个模块设置的问题如表3。

表3 各模块设置的问题

2 实验特点分析

2.1 实验的操作性强 该实验在设计思路方面并没有太高的要求，学生不需要根据参考资料和提示自己去组织实验思路和制定实验方案。实验的思路及操作步骤在“实验操作过程”模块完整呈现，学生只要根据“清单式”的实验步骤进行操作。实验操作的规范性成为该实验的一个侧重点，学生需要根据实验的步骤清单一步一步完成实验，最后得出准确的实验结果。

从实验设置和材料选择方面分析，该实验选取的材料都是学生比较容易获得的材料，如甜菜根、不同温度的水、丙醇、甲醇和等渗溶液等都是中学比较常见的材料和试剂。材料的准备过程也非常详细地列出并提示相应的注意事项。材料处理中也提供了详细的处理方法，强调了对自变量的设置和对无关变量的控制，学生只要根据要求注意材料处理中的细节。操作过程的最后一个环节是捕获因变量并对获得的数据进行处理，数据处理是整个实验操作过程中对学生要求相对较高的一个环节。捕获因变量时需要学生用比色卡或者分光光度计获得数据相对值，这要求学生需要理解比色法的原理，并要求学生设置表格记录数据，且运用表格数据画出“温度—颜色”曲线图和“有机溶剂浓度—颜色”曲线图，同时理解曲线图的意义。

从以上几方面的分析可以看出，学生根据实验提供的材料、步骤和方法进行操作，非常容易上手，数据处理也是按部就班，难度不大，整个实验的操作性比较强，学生可以自主在实验室完成该实验的操作过程。

2.2 实验问题设置多样化 从表3可以看出，整个实验设置了大量的问题，主要集中在“分析与讨论”模块。实验设问突显学生思维能力的培养，实验设问是该实验的另一个侧重点。

(1)实验问题设置多样化首先体现在设问的点分布在实验操作前、实验操作过程及实验后的拓展延伸。通过这三个模块的问题促进学生对膜结构和物质运输功能的理解。

(2)不同模块设置的问题在内容的层次上也体现出多样性。问题设置的内容具有一定层次性，逐步引导学生思考并理解实验过程及相关原理。实验操作前的设问主要涉及“细胞膜控制物质进出功能”的基础知识内容；实验操作过程中的设问主要是针对该实验中设置的自变量及捕获的因变量方面展开，问题设置的内容更加贴近本模块的内容，涉及不同温度、不同试剂和不同浓度对膜结构的影响，如对实验数据的分析、不同处理条件实验结果的对比，以及不同处理方法的原因阐述等；拓展延伸主要从生物学一般原理及应用方面设置的问题，引导学生根据该实验和相关内容对知识进行外延，丰富学生的知识内容。

(3)问题设置在知识内容要求方面也呈现多样性。设置问题对知识内容要求掌握的程度涉及到综合运用相关知识进行分析、解释、判断及推理。实验数据处理中涉及到了对实验现象和结果进行分析，“分析”是对实验现象和结果进行解释的基础。大部分问题需要学生根据一定的生物学现象和过程解释其原理和原因，这要求学生掌握或者获取充分的相关知识，进而组织知识之间的因果关系。“判断”和“推理”要求学生根据一定的信息推断一种最可能的结果，这对学生的逻辑思维能力要求更高。例如，该实验中根据实验数据进行判断，依据实验结论进行推理，这类问题的设置不仅深化实验过程，同时提升学生思维深度和广度。

3 能力培养分析

该探究实验侧重点体现在实验操作和设问两方面，其具有不同的能力培养要求。“实验操作”要求学生能够按照实验步骤独立完成生物学实验，理解实验目的、原理、方法和操作步骤，掌握相关的操作技能。详细的实验步骤设置似乎对学生思维能力的培养有所忽略，但注重对学生操作技能的培养，学生可以在既定的步骤中掌握相关操作技能。如果这是开放性的实验，实验思路和方案需要学生自己制定，实验详细步骤需要学生摸索，增加实验的复杂性，就会削弱对实验技能的培养。

“实验设问”是针对学生思维能力的培养，包括具备验证生物学事实的能力，能对实验现象和结果进行分析、解释，并能对收集到的数据进行处理。实验中的问题设置内容不同，层次不同，对能力要求也呈现多样化。问题主要集中在实验结果得到以后，侧重对实验数据的处理。设问的方式明确表明具体思维能力要求包括：分析、解释、判断和推理，注重在分析过程中培养学生的语言组织、逻辑思维及推理能力。