美国教材如何培养学生数据分析技能

王荐 柳昭君

在学生完成实验获得数据后，教师可以引导学生用图形（饼图、柱状图、折线图）来表示数据，也可以用表格来汇总数据。对数据进行分析，不仅需要用图表来展示数据，而且需要从数据图表中发现变量之间的关系，思考数据是否能支持先前的假设。美国教材Lab Manual Biology设计了大量数据分析的学生活动，教师可以从中获得启发。

1实验：以不同脂肪酸的比较为例

1.1目标

通过分析一系列数据来了解脂肪酸的相关性质。

1.2技能聚焦

分析数据，归类，比较，对比。

1.3建立联系

为了保持健康，应当摄取适量的脂肪。脂肪既是能量的来源，又可以作为体内器官的减震器，同时还具有维持体温的作用。

饮食中脂肪的种类同脂肪的数量一样重要。鱼、坚果、植物油及种子中含有较多的不饱和脂肪，一个不饱和的脂肪分子的碳原子间可形成多个双键。例如，动物制品的黄油中含有较多的饱和脂肪，一个饱和脂肪分子的碳原子间只能形成单键。

脂肪来自于甘油和脂肪酸。表1列出了含有18个碳原子的脂肪酸的一些性质。根据表1，探究这些脂肪酸的性质。

1.4分析与总结

（1）阅读表格：根据表1提供的数据，分析脂肪酸的性质。参考答案：相同碳原子数的脂肪酸的熔点与其中的双键数量有关，双键数量越多，熔点就越低。所以常温下，硬脂酸为固态，油酸、亚油酸、亚麻酸呈液态。

（2）解释表格：表1中的哪种脂肪酸更具有代表性的性质？

参考答案：脂肪酸的物理性质在很大程度上决定于脂肪酸烃链的长度和不饱和程度，长度越长，溶解度越低;双键数越多，熔点越低;不饱和脂肪酸可以在双键处发生加成反应，如卤化和氢化反应，所以双键数量更具有代表性。

（3）归类：哪一种脂肪酸是饱和脂肪酸？阐述理由。

参考答案：硬脂酸是饱和脂肪酸。脂肪酸的熔点受不饱和程度的影响，在室温下（25°C），含有12～24个碳原子的饱和脂肪酸为蜡状固体，同样链长的不饱和脂肪酸呈油状液体。

（4）因果关系：熔点指的是某种物质从固态转变为液态所需要的温度。随着双键数目的增加，脂肪酸的熔点呈现什么变化？

参考答案：含有一个或多个双键的不饱和脂肪酸不能像饱和脂肪酸那样紧密组装，因此分子间的相互作用被减弱。因为破坏有序性差的不饱和脂肪酸排列所需的热量较少，所以熔点比相同碳原子链长的饱和脂肪酸低，并且对相同碳原子链长的不饱和脂肪酸来说，双键越多熔点越低。

（5）比较与对照：若室温是70°F，即22°C，则表1中的脂肪酸哪一些呈现液态，哪一些呈现固態？

参考答案：若室温是22°C时，硬脂酸为固态，油酸、亚油酸、亚麻酸呈液态。

（6）分析数据：在烹煮过程中油和脂肪通常会结合形成脂肪酸。而正常人体温约为37°C，因此对大多数人来说，熔点低于37°C的脂肪酸对人体的健康更有益。表1中所列的四类脂肪酸中哪些熔点低于37°C？

参考答案：油酸、亚油酸、亚麻酸熔点低于37°C。因此从健康的角度来看，油酸、亚油酸、亚麻酸等不饱和的植物油脂更有利于人体健康。

（7）应用概念：红花油成分中78%是亚油酸。奶油的熔点是35°C（95°F）。起酥油100%的成分都是饱和脂肪酸。为健康着想这些物质中哪些是应该尽量避免摄食的？阐述理由。

参考答案：从健康的角度来看，奶油和起酥油都是应该尽量避免摄食的。因为奶油的熔点比较高，接近与人体体温。起酥油都是饱和脂肪酸，同样不利于人体健康。在日常生活中，人们倡导减少动物性脂肪的摄食，植物性油脂的摄入也要控制。《中国居民膳食指南（2016）》建议，成人每天食用烹调用油为25～30g。

1.5构建科学技能假设你在南极洲科学调查基地担任厨师的工作。令你比较苦恼的是室外温度为-9°C，而你想要展示红花油中亚油酸与鱼油中亚麻酸的不同。请设计一个简单的实验来体现二者的不同性质。

参考答案：只要将红花油与鱼油放置在室外，由于室外温度为-9°C，亚油酸熔点为-5°C，呈固态，亚麻酸熔点为-11°C，呈液态，两者即可加以区别。

2实验启示

2.1凸显理科特质，夯实基本技能

生物学科作为自然科学，具有理科的自然属性，分析数据、归类、比较、对比是生物学科的课程价值所在。四种脂肪酸碳原子数量相同，链长相同，但由于具有不同的双键导致物理性质之一的熔点不同，这从微观层面解释了宏观层面差异的原因，也是化学知识在生物学科的应用，体现了跨学科的综合性。在此学习过程中，学生经历了多种技能的训练，包括阅读、解释、归类、因果分析、比较与对照、分析数据、应用概念等，使学生在对此材料充分利用的基础上，获得全面的数据分析技能的练习。朱正威先生认为：基础知识教学，应是连续地、逐步深入地提出问题，探求其解决，从而在掌握知识体系、知识结构的过程中培养系统分析和整合的思维能力。本实验设计围绕表格呈现的数据，不断设问，引导学生深入思考。教师一般应组织学生思考以下问题：实验数据真实地反映了什么？从数据中还能提出什么问题？数据如何反映出两个变量之间的关系？数据能支持先前的假设吗？

2.2突出关键能力，培养核心素养

在强调培养能力的当下，教师不能回避学科基础，关键是考虑新课改背景下的学科基础究竟是什么，以什么方式学习学科基础。在强调课程综合化的大背景下，教育并不排斥以学科为基础的综合化。从现在大、中学教学内容来看，关键能力培养仍未被重视。例如，过分重视基本操作技能的培养，重视动手的规范性，却未预见到人工智能可以替代很多现有的技术设备。教师应当在为学生打基础时，清醒地认识到基础不仅包括已有的知识，也应该具备发现或思考原有知识的不足和欠缺;更应该提醒学生认识到人感觉的局限性，依靠新技术创造性地应用新技术，将是培养有创新意识和批判意识的新一代人才所必须的。脂肪酸的知识属于陈述性知识，不少教师难以设计出多样化的活动。好的教材应该最大限度地吸引和组织学生积极参与研究和探索。美国教材提供了一个很好的范本，值得教师仿效和借鉴。

2.3体现STS思想，关注人体健康

学者韦钰等10位世界科学教育专家共同提出科学教育10项原则，其中提到：科学教育的主要目的应该是为了使每个人能够参与有依据的决策和采取适当的行动，这对保证他们个人、社会以及环境的健康和协调发展是重要的。生物学教学应该密切联系学生实际，帮助他们选择正确生活方式。俗话说：开门七件事，柴米油盐酱醋茶。可见，油在人们日常生活中的作用，特别是在家做饭都会遇到吃什么油、吃多少油的问题，这个问题也直接关系到人们的健康。油脂中的饱和脂肪酸可由人体自己合成，在很多动物性脂肪中含量较高。若人体摄入过多，会导致血液中胆固醇的升高。血液中长期胆固醇浓度过高会产生动脉粥样硬化。不饱和脂肪酸分为单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸两种，人体无法合成。单不饱和脂肪酸主要提供热量，多不饱和脂肪酸具有降低胆固醇的作用。肉和乳制品中富含饱和脂肪酸，许多鱼类中含有高含量的多不饱和脂肪酸。因此进食蔬菜（不含胆固醇）和鱼类，可以减低血液中胆固醇含量。DHA（二十二碳六烯酸），俗称脑黄金，是一种对人体非常重要的多不饱和脂肪酸，它是神经系统细胞生长及维持的一种主要化合物，是大脑和视网膜的重要构成成分。DHA在深海鱼油里含量较高，但价格昂贵，低廉的玉米胚芽油中也富含DHA，同样可以起到健脑、降血脂等功效。美国教材在介绍了相关知识后，引导学生应用概念来区分红花油、奶油和起酥油哪个更有利于健康，充分体现了STS思想。这既是科学素养的培养，也是人文的关怀。

参考文献：

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[3][美]达西·哈兰德.STEM项目学生研究手册[M].北京：科学普及出版社，2013：138.

[4][英]温·哈伦编著，韦钰译.科学教育的原则和大概念[M].北京：科学普及出版社，2011：1.