廢棄海綿在生物學(xué)模擬實驗中的應(yīng)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(huán)保。廢棄海綿的使用能解決這一問題，并且實現(xiàn)廢物資源化。

[關(guān)鍵詞]廢棄海綿;模擬實驗;生物學(xué)

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

生物學(xué)是自然科學(xué)的一個部分，科學(xué)實驗是生物學(xué)的一種研究方法。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中指出，“教學(xué)過程重實踐”是生物學(xué)課程的基本理念之一，需要高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實踐經(jīng)歷，讓學(xué)生積極參與動手和動腦的活動，通過探究性學(xué)習(xí)活動或工程學(xué)任務(wù)，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。高中生物學(xué)必修及選擇性必修課程模塊共規(guī)定了53個實驗活動。高中生物學(xué)實驗的學(xué)習(xí)具有一定的進階性，以課程標(biāo)準(zhǔn)中的“科學(xué)探究”素養(yǎng)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(dāng)選用并熟練運用工具展開觀察”。面對高階層的學(xué)科實驗與應(yīng)用的要求，思維相對固化的低階實驗教學(xué)就顯得力不從心。因此，教師要帶領(lǐng)學(xué)生對教材中的實驗進行改進，加強對常用的生物學(xué)實驗材料的了解和應(yīng)用。

一、生物學(xué)模擬實驗開展的必要性

高考評價體系的“四層”中的“學(xué)科素養(yǎng)”指標(biāo)體系包含實踐探索和創(chuàng)新思維。因此，在生物學(xué)教學(xué)中開展實驗教學(xué)十分必要。但生物學(xué)的研究對象大都結(jié)構(gòu)多樣、功能復(fù)雜，而且生物學(xué)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(dāng)采取模擬實驗來代替真實實驗。模擬實驗是指根據(jù)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(xué)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(xué)的一個重要的研究方法。模擬實驗既能讓學(xué)生在動手操作中加深對生物學(xué)概念的理解，又能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力。

二、生物學(xué)模擬實驗選材的環(huán)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(huán)保，如舊教材中的“細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”實驗用瓊脂塊模擬細(xì)胞，其中的NaOH溶液具有一定的腐蝕性;“減數(shù)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(zhì);“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(huán)保性是我們選擇生物學(xué)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?nèi)绻堰@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(xiàn)廢物利用，同時還能培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識、品德修養(yǎng)以及社會責(zé)任感，有利于落實“立德樹人”的根本任務(wù)。

三、廢棄海綿在生物學(xué)模擬實驗中的應(yīng)用案例

（一）“細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”模擬實驗

“細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”實驗選自人教版高中生物學(xué)必修1第6章第1節(jié)“細(xì)胞的增殖”。海綿有無數(shù)細(xì)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(xì)胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)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(xì)胞生物，經(jīng)剪切而成的小美妝蛋加起來模擬總體積相等的多細(xì)胞生物，通過比較相同時間內(nèi)（約6 s）美妝蛋的吸水量來探討細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系。

實驗材料：廢棄美妝蛋2個、塑料網(wǎng)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(zhǔn)備兩個材質(zhì)、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(wǎng)袋中，標(biāo)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(wǎng)袋中，標(biāo)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(wǎng)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(fù)以上步驟2次。

多次實驗結(jié)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(nèi)甲組吸水量比乙組少，即當(dāng)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(zhì)運輸效率越低。最終得出結(jié)論：細(xì)胞越大，物質(zhì)運輸效率越低。

（二）“有絲分裂和減數(shù)分裂過程中染色體的變化”模擬實驗

有絲分裂和減數(shù)分裂是一個染色體動態(tài)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(xué)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(tài)變化過程，而海綿具有可塑性且環(huán)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(zhì)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(shù)分裂開始時已完成復(fù)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(xì)胞的輪廓、中心體和紡錘體。這樣可以讓學(xué)生更直觀地了解染色體組的概念和染色體復(fù)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(xué)教材必修 2第 1 章第 1 節(jié)“孟德爾的豌豆雜交實驗（一）”中的一個實驗。通過模擬實驗，學(xué)生可認(rèn)識和理解遺傳因子的分離和配子的隨機結(jié)合與性狀之間的數(shù)量關(guān)系，體驗孟德爾的假說。

將相同材質(zhì)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(nèi)，搖勻，重復(fù)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(nèi)。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(nèi)，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(rèn)為，選用廢棄海綿，材料易得，十分環(huán)保，而且更容易實施模擬實驗。

（四）“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”模擬實驗

人教版高中生物學(xué)必修2第3章第2節(jié)“DNA分子的結(jié)構(gòu)”中介紹了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點，安排了模型建構(gòu)活動——“制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”，旨在通過讓學(xué)生制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，加深其對DNA分子結(jié)構(gòu)特點的理解和認(rèn)識。引導(dǎo)學(xué)生模擬構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的物理模型，不僅有利于學(xué)生加深對DNA分子結(jié)構(gòu)的了解，還能很好地培養(yǎng)學(xué)生的建模能力。

對于“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(biāo)上堿基種類，用牙簽?zāi)M各種化學(xué)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(jié)構(gòu)通過化學(xué)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(jié)構(gòu)后，可將其扭轉(zhuǎn)得到DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的立體模型。這樣，不僅節(jié)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(xué)中困擾師生的實驗材料問題，還打破了學(xué)生拘泥于教材的思維定式，有效培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)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(xué)必修2第7章第2節(jié)“現(xiàn)代生物進化理論的主要內(nèi)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(xué)習(xí)中，學(xué)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(xiàn)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(huán)境。將剪好的海綿塊先放進甲盒子中混勻，讓學(xué)生扮演捕食者的角色，在30 s時間內(nèi)找海綿塊，記錄找出的不同顏色海綿塊的數(shù)量。再把所有海綿塊取出，放進乙盒子中混勻。重復(fù)以上操作，最后算出不同自然環(huán)境中不同個體的存活率。此模擬實驗有利于學(xué)生理解“直接受選擇的是個體的表現(xiàn)型而非基因型”，讓學(xué)生初步體驗自然選擇的作用。

（六）“標(biāo)志重捕法”模擬實驗

在人教版高中生物學(xué)必修3第4章第1節(jié)“種群的特征”的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對于標(biāo)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(yīng)當(dāng)讓學(xué)生通過實地調(diào)查來體會和運用。為了避免方法論被教師當(dāng)作知識來灌輸，也可以通過模擬實踐活動得出有關(guān)科學(xué)方法，以此培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。因此，可這樣設(shè)計相關(guān)的模擬實驗：準(zhǔn)備相同材質(zhì)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(biāo)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(shù)量的海綿塊，根據(jù)其中粉色海綿塊的數(shù)量占抓取的海綿塊總數(shù)量的比例來估計種群個體數(shù)，由此增減模擬的數(shù)量和次數(shù)，幫助學(xué)生推導(dǎo)出標(biāo)志重捕法的數(shù)學(xué)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(xué)必修2第5章第2節(jié)。染色體變異包括染色體結(jié)構(gòu)變異和染色體數(shù)目變異，染色體結(jié)構(gòu)變異又分為缺失、重復(fù)、易位和倒位4種類型。學(xué)生比較容易理解缺失和重復(fù)，但對于倒位和易位則存在一定的理解困難，因此構(gòu)建相關(guān)物理模型幫助學(xué)生理解很有必要。在模擬實驗中，可用相同材質(zhì)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?yōu)閍、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(fù)以及染色體數(shù)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(jié)構(gòu)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(xué)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(fā)的與知識點相關(guān)的模擬實驗。開展各類模擬實驗，既有利于學(xué)生對模型原型的理解，又可以提高學(xué)生的實驗技能和動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神。有效利用廢棄的材料開展生物學(xué)實驗，既能拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和觀察生活的能力，又能讓學(xué)生體會到生物學(xué)源于生活而高于生活。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

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（責(zé)任編輯 黃春香）

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