废弃海绵在生物学模拟实验中的应用

广东惠州市实验中学（516001） 罗敏斯 危宝华

生物学是自然科学的一个部分，科学实验是生物学的一种研究方法。《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》中指出，“教学过程重实践”是生物学课程的基本理念之一，需要高度关注学生学习过程中的实践经历，让学生积极参与动手和动脑的活动，通过探究性学习活动或工程学任务，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，培养创新精神。高中生物学必修及选择性必修课程模块共规定了53 个实验活动。高中生物学实验的学习具有一定的进阶性，以课程标准中的“科学探究”素养为例，“水平一”仅仅要求“能够使用简单的实验器具”，而“水平四”则要求“能够恰当选用并熟练运用工具展开观察”。面对高阶层的学科实验与应用的要求，思维相对固化的低阶实验教学就显得力不从心。因此，教师要带领学生对教材中的实验进行改进，加强对常用的生物学实验材料的了解和应用。

一、生物学模拟实验开展的必要性

高考评价体系的“四层”中的“学科素养”指标体系包含实践探索和创新思维。因此，在生物学教学中开展实验教学十分必要。但生物学的研究对象大都结构多样、功能复杂，而且生物学研究的周期普遍较长，对实验条件也常常有较高的要求，因此在高中阶段可适当采取模拟实验来代替真实实验。模拟实验是指根据相似性原理，通过模拟的方法制成研究对象的模型，用模型来代替研究对象，模拟研究对象的实际情况来进行实验的研究活动。由于生物学中有很多研究对象不便于直接进行实验，因此模拟实验成为生物学的一个重要的研究方法。模拟实验既能让学生在动手操作中加深对生物学概念的理解，又能培养学生的科学思维、科学探究能力和创新能力。

二、生物学模拟实验选材的环保性

教材中不同的模拟实验通常会采用不同的实验材料，实验材料需要专门购买，增加了实验成本，而且这些实验材料也不够环保，如旧教材中的“细胞大小与物质运输的关系”实验用琼脂块模拟细胞，其中的NaOH 溶液具有一定的腐蚀性；“减数分裂过程中染色体的变化”实验用橡皮泥模拟染色体，该材料含有一定的毒性物质；“性状分离比”的模拟实验用彩球模拟遗传因子，实验材料较难分解。因此，环保性是我们选择生物学模拟实验材料必须考虑的因素之一。

海绵是生活中常见的物品，如厨房里的洗碗海绵、女性常用的化妆海绵粉扑（以下称美妆蛋）、清洁用的纳米海绵等，这些海绵使用率高，而且在使用一段时间后就需要更换。我们如果把这些废弃海绵收集起来，就可以把它们作为模拟实验的材料，既方便模拟实验的开展，又可以实现废物利用，同时还能培养学生的环保意识、品德修养以及社会责任感，有利于落实“立德树人”的根本任务。

三、废弃海绵在生物学模拟实验中的应用案例

（一）“细胞大小与物质运输的关系”模拟实验

“细胞大小与物质运输的关系”实验选自人教版高中生物学必修1 第6 章第1 节“细胞的增殖”。海绵有无数细小孔隙，能吸收水分。美妆蛋的吸水和蓄水能力较好，且吸水速度适中，比洗碗海绵和纳米海绵稍慢，便于实验操作，所以在“细胞大小与物质运输的关系”模拟实验中，比较适于用作实验材料的是废弃美妆蛋。用未剪切的大美妆蛋模拟单细胞生物，经剪切而成的小美妆蛋加起来模拟总体积相等的多细胞生物，通过比较相同时间内（约6 s）美妆蛋的吸水量来探讨细胞大小与物质运输的关系。

实验材料：废弃美妆蛋2 个、塑料网袋2 个、200 mL 烧杯2 个、100 mL 量筒2 个、50 mL 量筒1个、剪刀一把、食用色素一瓶、清水适量。

实验步骤：

（1）准备两个材质、体积相同的废弃美妆蛋。把其中一个美妆蛋直接装进一个塑料网袋中，标记为甲组；把另一个美妆蛋平均剪成16 份后全部装进另一个塑料网袋中，标记为乙组。

（2）往两个200 mL 的烧杯中分别倒入150 mL清水。

（3）分别用左右手拿着两组美妆蛋连同塑料网袋一起同时放进两个烧杯中，确保清水没过美妆蛋，浸泡6 s。用手轻压美妆蛋避免其浮于水面。

（4）取出美妆蛋，观察烧杯中的剩余水量。为便于观察，可向烧杯中滴入两滴食用色素，摇匀后将含有色素的水分别倒进两个100 mL 量筒，观察甲、乙两组的液面高低，并记录剩余水量，如果液面超出量程，可借助50 mL量筒读取剩余水量。

（5）挤出美妆蛋中的水分，可用纸巾辅助吸干，重复以上步骤2次。

多次实验结果均为甲组量筒液面比乙组量筒液面高，从而得出相同时间内甲组吸水量比乙组少，即当体积相同时，美妆蛋表面积越小，其表面积与体积之比越小，物质运输效率越低。最终得出结论：细胞越大，物质运输效率越低。

（二）“有丝分裂和减数分裂过程中染色体的变化”模拟实验

有丝分裂和减数分裂是一个染色体动态变化的过程，微观而不易观察，视觉效果难以达到理想的要求。教材为了让学生模拟实验的过程，利用了橡皮泥来制作染色体，其缺点是不够清洁，也不能有效模拟染色体的动态变化过程，而海绵具有可塑性且环保，用不同颜色的废弃海绵可以很好地模拟大小不同的染色体组。

用相同材质的两种颜色（黄色和粉色）的废弃海绵剪出4 条黄色染色单体和4 条粉色染色单体，其中2 条黄色染色单体和2 条粉色染色单体较短，另外2 条黄色染色单体和2 条粉色染色单体较长。把颜色、长度相同的两条染色单体并排放置，用透明胶把磁铁固定在染色单体中央代表着丝点，互相吸附在一起的磁铁代表减数分裂开始时已完成复制的染色体（也可用回形针夹在染色体中央代替磁铁），形状、大小相同的染色体模拟一对同源染色体。在纸上画出细胞的轮廓、中心体和纺锤体。这样可以让学生更直观地了解染色体组的概念和染色体复制的过程。

（三）“性状分离比”模拟实验

“性状分离比”模拟实验是人教版高中生物学教材必修2第1 章第1 节“孟德尔的豌豆杂交实验（一）”中的一个实验。通过模拟实验，学生可认识和理解遗传因子的分离和配子的随机结合与性状之间的数量关系，体验孟德尔的假说。

将相同材质不同颜色（黄色和粉色）的废弃海绵分别平均剪成40 块，在两个盒子中装入黄色和粉色海绵块各20 块，黄色代表D 配子，粉色代表d配子。摇动两个盒子，使海绵块充分混合。分别从两个盒子中抓取一块海绵块，记下两块海绵块的字母组合。将抓取的海绵块放回原来的盒子内，摇匀，重复刚才的步骤50～100次。接着，将所有代表D 配子和d 配子的海绵块置于同一个盒子内。另外，再剪颜色不同、大小相同的海绵块，分别写上E和e，模拟另一对同源染色体的配子。将等量的E和e 两种配子的海绵块置于另一盒子内，从两个盒子中各抽取一块海绵块，记录组合情况，模拟基因的自由组合。

本实验，其他教师多用彩球、豆子、围棋、扑克牌、白纸等作为配子。笔者认为，选用废弃海绵，材料易得，十分环保，而且更容易实施模拟实验。

（四）“DNA双螺旋结构模型”模拟实验

人教版高中生物学必修2 第3 章第2 节“DNA分子的结构”中介绍了DNA 双螺旋结构模型的构建和DNA 双螺旋结构的主要特点，安排了模型建构活动——“制作DNA 双螺旋结构模型”，旨在通过让学生制作DNA 双螺旋结构模型，加深其对DNA 分子结构特点的理解和认识。引导学生模拟构建DNA 双螺旋结构的物理模型，不仅有利于学生加深对DNA 分子结构的了解，还能很好地培养学生的建模能力。

对于“DNA 双螺旋结构模型”模拟实验，教材利用的实验材料有球形塑料片、双层五边形塑料片等，这些材料市场同类产品少，在日常生活中不易找到。对此，可用废弃海绵剪出圆形、五边形、长方形的形状，分别模拟磷酸、脱氧核糖和碱基，并标上碱基种类，用牙签模拟各种化学键。由于海绵具有一定厚度，因此可将牙签直接插入海绵，代表各部分结构通过化学键相连。在脱氧核苷酸中磷酸和脱氧核糖的连接部分，可将牙签对折，使模型更逼真。做好平面结构后，可将其扭转得到DNA 双螺旋结构的立体模型。这样，不仅节约了成本，还更加形象逼真。该方法简单易行，不仅克服了该模块教学中困扰师生的实验材料问题，还打破了学生拘泥于教材的思维定式，有效培养了学生的发散性思维和创新意识。

（五）“自然选择中天敌捕食对种群的影响”模拟实验

“自然选择中对种群基因频率变化的影响”实验源自人教版高中生物学必修2 第7 章第2 节“现代生物进化理论的主要内容”，“自然选择中天敌捕食对种群的影响”实验是此实验的拓展延伸。在对自然选择的学习中，学生需要更形象地理解“天敌捕食对种群的影响”。在模拟实验中，可将黄色和白色的废弃海绵分别平均剪成30 份，模拟种群中不同表现型的个体。在甲盒子中放入白色的碎纸条，在乙盒子中放入黄色的碎纸条，分别模拟不同的自然环境。将剪好的海绵块先放进甲盒子中混匀，让学生扮演捕食者的角色，在30 s 时间内找海绵块，记录找出的不同颜色海绵块的数量。再把所有海绵块取出，放进乙盒子中混匀。重复以上操作，最后算出不同自然环境中不同个体的存活率。此模拟实验有利于学生理解“直接受选择的是个体的表现型而非基因型”，让学生初步体验自然选择的作用。

（六）“标志重捕法”模拟实验

在人教版高中生物学必修3 第4 章第1 节“种群的特征”的学习中，学生对于标志重捕法的操作步骤以及计算方式的理解有一定的困难，应当让学生通过实地调查来体会和运用。为了避免方法论被教师当作知识来灌输，也可以通过模拟实践活动得出有关科学方法，以此培养学生的实践能力。因此，可这样设计相关的模拟实验：准备相同材质不同颜色（黄色和粉色）的废弃海绵，黄色海绵3 块，粉色海绵1 块，将黄色海绵剪成多份，将粉色海绵剪成20 份，在剪的过程中确保两种颜色的海绵均有大有小，模拟种群中不同大小的个体。全部海绵块模拟一个种群的全部个体，用粉色海绵块模拟第一次被捕捉后标记的个体。将两种颜色的海绵块放在盒子里混匀，重新抓取一定数量的海绵块，根据其中粉色海绵块的数量占抓取的海绵块总数量的比例来估计种群个体数，由此增减模拟的数量和次数，帮助学生推导出标志重捕法的数学模型。

（七）“染色体变异”模拟实验

“染色体变异”实验源自人教版高中生物学必修2 第5 章第2 节。染色体变异包括染色体结构变异和染色体数目变异，染色体结构变异又分为缺失、重复、易位和倒位4 种类型。学生比较容易理解缺失和重复，但对于倒位和易位则存在一定的理解困难，因此构建相关物理模型帮助学生理解很有必要。在模拟实验中，可用相同材质不同颜色的废弃海绵剪出2 条不同颜色的染色体，中间用回形针夹住模拟着丝点，其中一条染色体表面写上a、b、c、d、e、f，另一条染色体表面写上g、h、i、j、k、l，这些字母代表染色体上的基因。在模拟染色体易位时，将两条染色体的某一片段交换位置，最终得到其中一条染色体上的基因顺序为a、b、c、k、l，另一条染色体上的基因顺序为g、h、i、j、d、e、f。在模拟染色体倒位时，将其中一条染色体左右两臂颠倒位置，使基因顺序由原来的a、b、c、d、e、f 变为a、e、d、c、b、f，接口处可用牙签插入直接连接，方便快捷。模拟缺失、重复以及染色体数目变异则更为简单，在此便不再赘述。有些教师会用卡片进行模拟实验，但是在模拟染色体结构变异时，需要用胶布对染色体接口进行粘贴，操作不便，且粘贴后不利于二次使用。用废弃海绵和牙签则可以很好地解决这个问题。

总之，日常生活中可回收再利用的材料除了废弃海绵，还有很多，如吸管、包装用纸、办公用纸、广告用纸、饮料瓶、购物袋、包装盒、旧衣物、一次性塑料餐具、牙刷、杯子、矿泉水瓶、桌布、洗脸巾、书包、鞋等，这些都可用来做模拟实验的材料。生物学模拟实验也还有很多，可以是教材给出的模拟实验，也可以是教师开发的与知识点相关的模拟实验。开展各类模拟实验，既有利于学生对模型原型的理解，又可以提高学生的实验技能和动手能力，培养学生的科学探究精神。有效利用废弃的材料开展生物学实验，既能拓展学生的创新思维，培养学生的环保意识和观察生活的能力，又能让学生体会到生物学源于生活而高于生活。