注射器在中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新應(yīng)用

唐士婷 韋艷艷 陳啟豪

摘要：闡述了注射器因其氣密性高、可用于測量、成本低、輕便小巧等特點(diǎn)，作為實(shí)驗(yàn)器材可在中學(xué)生物探究實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮重要的作用，應(yīng)用于“滲透現(xiàn)象”“探究pH對酶活性的影響”及生物小實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)中，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，變驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為探究實(shí)驗(yàn)，變定性實(shí)驗(yàn)為定量實(shí)驗(yàn)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：注射器實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中學(xué)生物

中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力的重要方式，但目前依然存在因生物實(shí)驗(yàn)員人手不夠、實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備較為復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少而無法正常展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)或無法進(jìn)行深入實(shí)驗(yàn)探究的現(xiàn)象。注射器具有氣密性高、可用于測量、成本低、輕便小巧等特點(diǎn)，可在較多中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用。在新時(shí)代背景下，中學(xué)生物教師需要精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，變“教實(shí)驗(yàn)”為“用實(shí)驗(yàn)教”，引導(dǎo)學(xué)生在主動(dòng)探究中增強(qiáng)自身學(xué)習(xí)能力，其中，變驗(yàn)證性試驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，變定性實(shí)驗(yàn)為定量實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)重要的手段。注射器作為具有多方面優(yōu)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)工具，可在這一變化中發(fā)揮重要作用。

1注射器在“滲透現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新應(yīng)用

“滲透現(xiàn)象”是位于人教版高中生物教材第四章第一節(jié)“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”中的一項(xiàng)經(jīng)典演示實(shí)驗(yàn)，但原實(shí)驗(yàn)裝置較為繁瑣，且由于長頸漏斗的放置難以保證水平，不利于進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。利用針筒作為主要實(shí)驗(yàn)工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)裝置具有組裝簡單、半透膜容易放置、氣密性好且實(shí)驗(yàn)效果明顯等特點(diǎn)。

1.1改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，每組實(shí)驗(yàn)裝置準(zhǔn)備兩個(gè)針筒，取出活塞柄，留下活塞用于兩針筒的連接以及半透膜的固定，并用細(xì)膠管連接兩針筒的針頭處。該裝置氣密性好，實(shí)驗(yàn)精度更高，且半透膜用量少，易安裝，更利于進(jìn)行探究性試驗(yàn)。

1.2改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1利用不同材料作為半透膜，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

分別將紗布、玻璃紙、雞蛋卵殼膜固定在針筒活塞處，并設(shè)置沒有膜阻隔的空白對照組。

利用帶有針頭的注射器分別向同一裝置的兩個(gè)針筒中內(nèi)注滿清水和蔗糖溶液，連接細(xì)導(dǎo)管，一段時(shí)間后，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

①無半透膜組：兩針筒中液體顏色相同，兩頭細(xì)導(dǎo)管液體長度相等。

②紗布組：兩針筒中液體顏色相同，兩頭細(xì)導(dǎo)管液體長度相等。

③玻璃紙組：兩針筒中液體顏色不同，裝有蔗糖溶液一端的細(xì)導(dǎo)管液體長度更長。

④雞蛋卵殼膜組：兩針筒中液體顏色不同，裝有蔗糖溶液一端的細(xì)導(dǎo)管液體長度更長，且長于玻璃紙組蔗糖溶液一端導(dǎo)管中的液體長度。

通過比較四組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，只有③、④組產(chǎn)生了滲透現(xiàn)象，紗布不能作為半透膜，而玻璃紙和雞蛋卵殼膜都可以作為半透膜。那么，若蔗糖溶液濃度不同，且透過不同半透膜，所產(chǎn)生的滲透現(xiàn)象會(huì)有何不同呢？通過以下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

1.2.2利用不同材料作為半透膜測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、30%、40%的蔗糖作溶液為實(shí)驗(yàn)材料，每種半透膜設(shè)置三組實(shí)驗(yàn)，對連接蔗糖溶液端針頭的細(xì)導(dǎo)管中溶液流動(dòng)長度進(jìn)行測量。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，隨著蔗糖溶液濃度的增加，實(shí)驗(yàn)組兩針筒中液體的濃度差增加，單位時(shí)間內(nèi)，蔗糖溶液端導(dǎo)管中液體流動(dòng)距離更長，實(shí)驗(yàn)組滲透作用的強(qiáng)度更強(qiáng);當(dāng)半透膜為蛋殼卵膜時(shí)，對比半透膜為玻璃紙組，液體流動(dòng)的距離更遠(yuǎn)，說明當(dāng)半透膜為蛋殼卵膜時(shí)，實(shí)驗(yàn)組的滲透作用更強(qiáng)。

由以上實(shí)驗(yàn)可以知道，滲透作用的強(qiáng)度主要受到濃度差和半透膜種類的影響。由此可以引出很多新的問題。例如，從微觀層面，半透膜種類影響滲透作用強(qiáng)度的原因是什么？雞蛋卵殼膜具有半透膜的性質(zhì)有何意義？還有什么生物材料可以作為實(shí)驗(yàn)用的半透膜？為何清水端也有水流進(jìn)導(dǎo)管中？……教師利用問題，啟發(fā)學(xué)生開展更深入、跨學(xué)科的思考，并促進(jìn)學(xué)生的探究興趣，鼓勵(lì)學(xué)生課后搜索相關(guān)資料，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并在課上交流實(shí)驗(yàn)成果。

2注射器在“探究pH對酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)位于人教版高中生物必修一第五章第一節(jié)，學(xué)生需要明確實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析等。教科書中原有的實(shí)驗(yàn)無法測量反應(yīng)所產(chǎn)生的氧氣量，僅能通過觀察氣泡的產(chǎn)生量觀察氧氣產(chǎn)生的多與少。為了使該實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)更具有探究性，利用注射器作為實(shí)驗(yàn)工具，對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了如下改進(jìn)。

2.1改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

在試管口加試管塞進(jìn)行密封，并將粗針頭穿過試管塞與試管內(nèi)連通。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將過氧化氫溶液注入裝有等量肝臟研磨液且溶液分別呈酸性、中性和堿性三組試管后，可通過注射器活塞上移的距離判斷氣體的產(chǎn)生量，從而判斷酶在不同酸堿條件下的活性。

針筒本身具有刻度，便于將產(chǎn)物量化，可從定性分析上升為定量分析，將實(shí)驗(yàn)設(shè)置的pH梯度細(xì)化，設(shè)置多組實(shí)驗(yàn)。由于裝置是密封的，現(xiàn)象能持久觀測，便于記錄讀數(shù)，也有利于各組之間的對比，通過取各組讀數(shù)的平均值，可減小實(shí)驗(yàn)誤差，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線圖，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀。教師也可引導(dǎo)學(xué)生在課后主動(dòng)進(jìn)行不同的探究，如是否有其他生物酶可以代替肝臟研磨液進(jìn)行試驗(yàn)，不同pH條件下該酶的活性如何，等等。

2.2氣體產(chǎn)物性質(zhì)的檢測

原實(shí)驗(yàn)通過所產(chǎn)生的氣體能使衛(wèi)生香復(fù)燃判斷氣體產(chǎn)物為氧氣，但因所產(chǎn)生的氣體中含有較多水蒸氣，影響衛(wèi)生香的復(fù)燃，增加了實(shí)驗(yàn)誤差。另外，若衛(wèi)生香用完后若處理不當(dāng)，容易引發(fā)火災(zāi)，安全隱患較大。在改進(jìn)后的試驗(yàn)中，氣體產(chǎn)物被擠入塑料針筒中，也不宜用衛(wèi)生香的復(fù)燃情況對氣體產(chǎn)物進(jìn)行檢測。

“亞甲基藍(lán)”是中學(xué)化學(xué)中的一種指示劑，其能在堿性條件下被葡萄糖還原為無色，接著又被氧氣重新氧化為藍(lán)色。本試驗(yàn)中，可通過將氣體產(chǎn)物注入亞甲基藍(lán)葡萄糖檢測液中，若溶液變成藍(lán)色，則可以說明氣體產(chǎn)物為氧氣。

該實(shí)驗(yàn)利用針筒作為注射過氧化氫和氧氣收集的工具，提高了實(shí)驗(yàn)的精確度，并可通過多個(gè)梯度pH條件下氧氣產(chǎn)生量變化的數(shù)據(jù)的記錄與分析，對比教科書中直接給出的酶活性隨pH變化的數(shù)學(xué)模型圖。學(xué)生通過自己實(shí)驗(yàn)，繪制出模型圖這一過程，不僅可以體驗(yàn)到主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)探究的樂趣，也能提高自身的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力。利用中學(xué)化學(xué)中的指示劑對實(shí)驗(yàn)中的氣體產(chǎn)物的性質(zhì)進(jìn)行檢測，一方面提高了檢測效果，另一方面也有助于促進(jìn)學(xué)生對跨學(xué)科知識(shí)的融合。

3注射器在課堂小實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

生物課堂小實(shí)驗(yàn)因?qū)嶒?yàn)本身操作較為簡單，取材方便，易于觀察且具有一定的趣味性，更能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師可以在理論課中進(jìn)行演示，注射器也可在其中發(fā)揮重大作用。例如在人教版初中生物學(xué)七年級上冊第三單元第五章第二節(jié)“綠色植物的呼吸作用”一節(jié)課中，其中的一項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)是探究綠色植物的呼吸作用是否會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。該實(shí)驗(yàn)可以利用針筒作為實(shí)驗(yàn)工具，將實(shí)驗(yàn)材料放入針筒中，用細(xì)導(dǎo)管連接，用夾子夾住導(dǎo)管，使實(shí)驗(yàn)材料處在一個(gè)密閉的環(huán)境中。一段時(shí)間后，松開夾子，將針筒內(nèi)產(chǎn)生的氣體壓入澄清石灰水中，通過觀察其是否變渾濁，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

利用針筒進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，操作方便，步驟簡單且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，教師可在理論課中進(jìn)行演示，并通過問題設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)材料、光照對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響等思考，鼓勵(lì)學(xué)生以小組合作的形式，主動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，正式課上觀察現(xiàn)象，相互進(jìn)行交流討論。這樣可節(jié)省教師講解繁瑣操作步驟的時(shí)間，學(xué)生還可以花更多的時(shí)間投入到對植物不同部位以及不同顏色植物的呼吸作用等的主動(dòng)探究當(dāng)中。同時(shí)，在同學(xué)們的互助與協(xié)作中，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)與合作能力也可得到訓(xùn)練與加強(qiáng)。

4小結(jié)

注射器因其多方面的優(yōu)勢，在將定性實(shí)驗(yàn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)以及將驗(yàn)證性試驗(yàn)變?yōu)樘骄啃詫?shí)驗(yàn)的改進(jìn)中發(fā)揮著重要的作用。教師在實(shí)驗(yàn)課準(zhǔn)備的過程中，要學(xué)會(huì)善于觀察，深入思考。為讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)理解得更透徹，教師要做好充分的準(zhǔn)備，充分考慮實(shí)驗(yàn)工具、實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)驗(yàn)材料的選擇，也可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行一些設(shè)計(jì)，便于學(xué)生的試誤與發(fā)現(xiàn)。但是需要明確，任何的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)都不是為了改而改，而是以充分發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的主觀能動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生形成科學(xué)思維，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，進(jìn)而提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，使學(xué)生得到更好的發(fā)展為最終目的。