Статья: Исследовательская деятельность на уроках биологии и химии.

На современном этапе обучения большая часть знаний преподносится в готовом виде и не требует дополнительных поисковых усилий и основной трудностью для студентов является самостоятельный поиск информации, добывание знаний. Поэтому одним из важнейших условий повышения эффективности учебного процесса является организация и проведение опытов для повышения исследовательских умений, которые не только помогают студентам лучше справляться с требованиями программы, но и развивают у них логическое мышление, повышают интерес к учебной деятельности.
На уроках биологии и химии особую значимость приобретает химический эксперимент. Он позволяет осуществлять исследовательский принцип и проблемный подход в изучении вопросов молекулярной биологии, конкретизировать сложный теоретический материал на этих уроках, а также закреплять и совершенствовать знания на уроках органической химии. С помощью химического эксперимента устанавливаются не только строение и свойства изучаемых веществ, но и взаимозависимость свойств и функций их от строения. Студенты учатся наблюдать и сопоставлять происходящие явления в живой и неживой природе. Следовательно, эксперимент имеет большое познавательное и воспитательное значение, так как он формирует умение и навыки учащихся, способствует развитию понятий, углублению и закреплению знаний.

На уроках общей биологии как правило используется демонстрационный эксперимент, потому, что студенты еще плохо знакомы со свойствами органических соединений и не имеют достаточных навыков для работы с ними, из-за недостатка времени для проведения лабораторных работ. Кроме того, на уроках биологии имеет место лекционное изложение большого теоретического материала, в этом случае целесообразнее использование демонстрационного эксперимента в исследовательском и иллюстрационном плане.

В разделе молекулярной биологии в настоящее время эксперимент почти не используется, за исключением лабораторной работы на тему: «Действие ферментов на крахмал; каталазы и пероксидазы на перекись водорода». Но для изучения сложных вопросов биохимии ограничивать эксперимент одним лабораторным занятием на сегодняшний день недостаточно. В связи с этим возможно расширить рамки использования химического эксперимента на уроках общей биологии.

Для увеличения доступности сложного материала на первом этапе приобретения знаний используется демонстрационный эксперимент. При выполнении опытов по изучению органоидов клетки студенты знакомятся с компонентами клетки. самостоятельно проводят различные манипуляции при подготовке препарата. Как показала практика такая методика проведения уроков биологии вызывает определенный интерес со стороны студентов их знания становятся более прочными и конкретными, а сложные биохимические понятия более доступными для усвоения.

На уроках органической химии существенно усиливается ученический эксперимент. Учащиеся обладают достаточным запасом знаний и навыков для проведения длительных и значимых по объему лабораторных работ, и практических занятий. На этих уроках нет необходимости дублировать ранее демонстрируемые опыты, а нужно расширить объем предлагаемых работ, ввести дополнительные опыты или усложнить некоторые из них. Умение применять полученные знания в учебной работе особенно ярко проявляются в решении экспериментальных задач. Таким образом, на уроках химии эксперимент выступает как средство для закрепления, расширения и усовершенствования изученных понятий.

Например:

Опыт: Обнаружение углекислого газа в выдыхаемом воздухе

Цель – сравнить содержание углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе.

Оборудование: прибор «дыхательные клапаны», спирт для дезинфекции мундштука прибора, известковая вода.

Подготовка опыта: учащимся напоминают, что реактивом на углекислый газ является известковая вода Са(ОН)₂. Известковая вода мутнеет в присутствии углекислого газа, карбонат кальция выпадает в осадок:

Са(ОН)₂+ СО₂ = СаСО₃+ Н₂О

Полезно напомнить также, что при длительном пропускании углекислого газа осадок может раствориться из-за образования Са(НСО₃)₂ – кислого карбоната, легко растворимого в воде.

Устройство прибора для сравнения содержания углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе основано на разделении воздуха, входящего и выходящего из легких. Прибор состоит из двух цилиндров, в каждый из которых опущены короткая и длинная трубочки. Мундштук, в который дышит испытуемый через тройник, соединяется с короткой трубкой левого цилиндра и длинной трубочкой правого. Поскольку воздух может проходить только через длинную трубку, погруженную в раствор, где создается большее давление воздуха из-за того, что площадь поперечного сечения трубки небольшая, при вдохе воздух проходит через левый цилиндр, а при выдохе – через правый.

Проведение опыта. К доске вызывают испытуемого. Мундштук протирают спиртом для дезинфекции. Чтобы результат получился скорее, испытуемый медленно насасывает воздух, затем оставляет мундштук, делает спокойный выдох, а остаток воздуха пропускает через прибор. Дуть в мундштук надо медленно, чтобы не выплескался раствор из цилиндра, который не должен работать. Обычно через 2-3 цикла появляется белый осадок в том цилиндре, через который проходил выдыхаемый воздух. В другом цилиндре, где исследовалась проба атмосферного воздуха, либо осадка нет совсем, либо он незначительный.

Рис. 1.Схема действия прибора для сравнения содержания углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе при вдохе – А и при выдохе – Б :

а – левый цилиндр; б – правый цилиндр; 1, 2, 3, 4 – трубки прибора.

Опыт: Качественные реакции на белки

Цель: выявить наличие белков в клетках растений и животных.

Объекты и оборудование: пробирки, фильтровальная бумага, яичный белок, мясная вытяжка, желатин, картофель, пшеничная мука, концентрированная азотная кислота, раствор едкого натрия или аммиак (нашатырный спирт), раствор медного купороса, раствор сульфата аммония.

При изучении белков можно провести две цветные реакции – биуретовую и ксантопротеиновую.

Биуретовую реакцию дают все белки, так как в результате образуется комплекс меди с пептидной связью в молекуле белка. С помощью этой реакции идентифицируются белки.

Проведение опыта. К 2 мл исследуемого белка приливают столько же 20%-го раствора щелочи и по каплям – медный купорос. После каждой капли пробирка тщательно встряхивается. Появление фиолетового окрашивания говорит о присутствии белка.

Схема 3. «Проведения биуретовой реакции»

Биуретовую реакцию можно провести с мясной вытяжкой, яичным белком и желатиной в сравнении. Во всех случаях результат будет одинаков, что говорит о сходстве в строении белковых молекул.

Ксантопротеиновая реакция – это еще одна из цветных реакций на белки, но в отличии от биуретовой реакции, ее дают не все белки, а лишь те, которые содержат ароматические аминокислоты, часть которых является незаменимыми для человека.

Цель этого опыта показать различие в аминокислотном составе белков и определить степень их полноценности для питания. Опыт проводится на тех же белках, что и биуретовая реакция.

Постановка и проведение опыта. К раствору яичного белка добавить концентрированной азотной кислоты. Жидкость в пробирке нагреть – осадок окрашивается в желтый цвет и растворяется. После охлаждения осторожно добавить раствор аммиака или едкого натра – окраска становится оранжевой.

Схема 4. «Схема проведения ксантопротеиновой реакции»

Реакция обусловлена образованием нитросоединений из ароматических кислот. Такую же пробу проводят с белком соединительной ткани – желатиной. Пищевую желатину промывают холодной водой для удаления примесей других белков. Желатина разбухает, ее отжимают между листами фильтровальной бумаги.

Небольшое количество растворяют а пробирке с водой при нагревании и проделывают ксантопротеиновую реакцию, как описано выше. Реакция отрицательна, так как желатина не содержит ароматических или циклических аминокислот. Появление иногда слабой окраски может быть обусловлено наличием примесей других белков. На основании опыта можно сделать вывод о различной полноценности белков по аминокислотному составу.

Биуретовую и ксантопротеиновую можно провести с белками полученными из растительных тканей.

Получение раствора белков из растительных тканей

Очищенный клубень картофеля измельчают на терке. Полученную массу заливают 20 мл воды и растирают в кашеобразную массу, добавляют 100 мл воды и оставляют на 1 час при комнатной температуре. Затем раствор фильтруют. Фильтрат содержит водорастворимые белки.

Можно извлечь белки и из пшеничной муки. Для этого в небольшую пробирку помещают 5 г пшеничной муки и заливают 20-30 мл 10%-го раствора сульфата аммония (NH₄SO₄) . Через 30 мин раствор фильтруют, смочив предварительно фильтр раствором сульфата аммония. Если фильтрат очень мутен, то фильтруют повторно. В фильтрате содержится белок. Такое взаимодействие эксперимента с содержанием курсов химии и биологии приводит к более эффективному действию межпредметных связей, что увеличивает не только количество получаемой информации на уроках, но и улучшает качество ее усвоения учащимися, развивает интерес к предметам естественного цикла.

Опыт: Исчезновение ложки, или три опыта с алюминием.

Иногда странным химическим превращениям подвергаются самые обыденные предметы и вещества, казалось бы, досконально нам известные. Кто не знает, что алюминиевая посуда служит целыми десятилетиями? Но иногда с нею происходят удивительные вещи: она исчезает буквально на глазах.

Возьмем алюминиевую ложку и тщательно очистим ее мелкозернистой наждачной бумагой, а потом обезжирим, опустив на 5 – 10 минут в ацетон (СН₃)₂СО. После этого окунем ложку на несколько секунд в раствор нитрата ртути(II), содержащий в 100 мл воды 3,3 г Нg(NO₃)₂. Как только поверхность алюминия в растворе Нg(NO₃)₂ станет серой, ложку надо вынуть, обмыть кипяченой водой и высушить, промокая, но не вытирая фильтровальной или туалетной бумагой. На ваших глазах начнутся чудеса: металлическая ложка постепенно будет превращаться в белые пушистые хлопья, и вскоре от нее останется только невзрачная сероватая кучка «пепла».

Что же произошло? Алюминий – активный в химическом отношении металл. Обычно он защищен от атмосферного кислорода и влаги тонкой пленкой на его поверхности, содержащей оксидный и молекулярный кислород в сложном химическом сочетании; это не просто оксид алюминия А1₂О₃, как это представляли себе раньше. Обрабатывая алюминий солью ртути, мы разрушаем защитную пленку. Вот как это происходит: находясь в растворе нитрата ртути(II), алюминий вытесняет (восстанавливает) из соли металлическую ртуть:

2А1 + 3Нg(NO₃)₂ = 3Нg↓ + 2Al(NO₃)₃

Аl + Нg = (А1,Нg)

На очищенной поверхности ложки появляется тонкий слой амальгамы алюминия (сплава алюминия и ртути). Амальгама не защищает поверхность металла, и он превращается в пушистые хлопья метагидроксида алюминия:

4(А1,Нg) + 2Н₂О + ЗО₂ = 2АlO(OH)↓ + 3Н₂↑

Израсходованный в этой реакции алюминий пополняется новыми порциями растворенного в ртути металла, а выделившаяся ртуть снова «пожирает» алюминий. И вот вместо блестящей ложки на бумаге остаются АlО(ОН) и мельчайшие капельки ртути, потерявшиеся в белых хлопьях метагидроксида алюминия.

Если после раствора нитрата ртути(II) алюминиевую ложку сразу же погрузить в дистиллированную воду, то на поверхности металла появятся пузырьки газа и чешуйки белого вещества. Это водород и метагидроксид алюминия:

2А1 + 4Н₂О = 2АlО(ОН) + 3Н₂↑

Подобным же образом ведет себя алюминий в водном растворе хлорида меди(II) СuCl2. Попробуйте опустить в этот раствор обезжиренную алюминиевую пластинку. Вы увидите образование коричневых хлопьев меди и выделение пузырьков газа. Выделение меди вполне объяснимо: более активный в химическом отношении металл алюминий восстанавливает медь из ее солей:

2А1 + 3СuСl = 3Сu↓ + 2А1Сl₃

А как объяснить выделение газа? Оказывается, в этом случае тоже разрушается защитная пленка на поверхности алюминия.

Опыт: Кислота-защитница.

Неожиданной защитницей алюминия оказывается концентрированная азотная кислота. Чтобы в этом убедиться, очищенную и обезжиренную алюминиевую проволоку опускают в пробирку, наполненную на треть высоты концентрированной азотной кислотой НNO3, а через 5 минут вынимают и ополаскивают водой. Теперь погружают проволоку в другую пробирку с разбавленной (1:1) соляной кислотой НСl. Та часть проволоки, которая бывала в концентрированной азотной кислоте, останется без изменений, а на поверхности остальной (верхней) части проволоки начнется энергичное выделение газа.

Протекает химическая реакция: алюминий взаимодействует с соляной кислотой

с выделением водорода и образованием хлорида алюминия АlСl3 хорошо растворимого в воде:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑

Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, вызывая появление на активных участках его поверхности тончайшей защитной пленки. Она в дальнейшем защищает поверхность металла от опасных контактов с агрессивным раствором НСl.

Опыт: Реакция брома и алюминия.

Если в пробирку из термостойкого стекла поместить несколько миллилитров брома и аккуратно опустить в него кусочек алюминиевой фольги, то через некоторое время (необходимое для того, чтобы бром проник через оксидную плёнку) начнётся бурная реакция. От выделяющегося тепла алюминий плавится и в виде маленького огненного шарика катается по поверхности брома (плотность жидкого алюминия меньше плотности брома), быстро уменьшаясь в размерах. Пробирка наполняется парами брома и белым дымом, состоящим из мельчайших кристаллов бромида алюминия: 2Al+3Вr₂=2AlВr₃.

Опыт: Реакция йода и алюминия.

Также интересно наблюдать реакцию алюминия с йодом. Смешаем в фарфоровой чашечке небольшое количество порошкообразного йода с алюминиевой пудрой. Пока реакции не заметно: в отсутствие воды она протекает крайне медленно. Пользуясь длинной пипеткой, капнем на смесь несколько капель воды, играющей роль инициатора, и реакция пойдёт энергично — с образованием пламени и выделением фиолетовых паров йода

2Al+3I₂=2AlI₃.

Опыт: Огнедышащая сера.

Обыкновенная сера в количестве всего 3 г поможет показать “пасть огнедышащего дракона”. Для этого надо взять 2 г алюминиевой пудры, смешать его с 3 г серного цвета (пылевидной серы). Смесь выложить на железный поддон в виде горки и поджечь длинной лучиной. Мгновенно происходит сильнейшая вспышка с образованием белого дыма, состоящего из мельчайших частичек сульфида алюминия.

2Al + 3S = Al₂S₃

Опыт: Вспышка оксида железа и алюминия.

На металлический лист насыпьте 2 – 3 г смеси, состоящей из равного по объему количества алюминиевой пудры и оксида железа III. Начните греть лист на газу или на спиртовке. Через некоторое время вставьте в горочку спичку, так чтобы головка слегка торчала. Затем поднесите горящую лучинку к спичке, так чтобы она могла возгореться. Реакция протекает очень интенсивно с выделением большого количества тепла и сопровождается яркой вспышкой.

Fe₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 2Fe

Опыт: Растворение алюминия в кислотах и щелочах.

В две пробирки с концентрированными растворами соляной кислоты и гидроксида натрия опустите несколько гранул или небольших кусочков алюминия. Наблюдайте выделение водрода:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

или

2Al + 6NaOH + 6H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂

Осторожно поднесите в это время к пробиркам длинную горящую лучину и по характерному звуку воспламенения газа убедитесь, что выделяется водород.

Опыт: Амфотерные свойства гидроксида алюминия.

Получите осадок гидроксида алюминия путем добавления к раствору соли алюминия раствора щелочи:

AlCl₃ + 3NaOH = Al(OH)₃ + 3NaCl

Взвесь гидроксида алюминия разделите на три части. К первой прилейте раствор кислоты, ко второй – раствор щелочи, и третью оставьте для сравнения. Наблюдайте растворение гидроксида алюминия:

Al(OH)₃ + 3 HCl = AlCl₃ + 3H₂O

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

или

Al(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[Al(OH)₆]

Такое взаимодействие эксперимента с содержанием курсов химии и биологии приводит к более эффективному действию межпредметных связей, что увеличивает не только количество получаемой информации на уроках, но и улучшает качество ее усвоения учащимися, развивает интерес к предметам естественного цикла.