在中草药课程中培养中学生科学探究能力的案例探讨
时间:2021-01-04 09:37:51 来源:河北冀州中学 衡水 作者:赵红梅摘要：科学探究是中学生物学科的核心素养的重要组成部分，以艾草的体外抗氧化探究、体内抗氧化探究课例为例，展示了在中草药课例中培养中学生科学探究能力的全过程，对生物学核心素养的落地拓宽新途径进行初步尝试。
关键词 科学探究能力 中草药 案例
科学思维和科学探究是生物学核心素养中的重要组成，进一步加深对科学探究的认识、从学科核心素养的角度全面提高探究教学的效率，是落实课程标准要求的关键。中华医药很多人感兴趣，本文分享交流的中草药课例，将二者有机结合，以学生感兴趣的中草药为载体做系列探究活动，培养科学思维、提升科学探究能力，经过几年的实践，颇有成效。下面以“艾草的体内外抗氧化实验探究”为例作一简介。
1、 引导发现问题、提出假设
爱因斯坦曾经说:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”还有一种说法就是普通人和科学家的距离就差在“十万个为什么”，所以，引导孩子们提出要研究的问题是课程中比较困难的一步。我们尝试从中学生对中草药的认知入手，通过调查，统计孩子们已有的中草药知识，已经了解到哪些问题，还想进一步了解哪些问题，通过聘请专家，科普基础的中草药知识入门，国内外研究现状，激发孩子们对中医药深入了解的兴趣，通过观察百草园，参观中医药制作二次启发他们能想到什么问题，然后筛选出能统一到我们的课程中有研究意义的问题，比如：有的同学首先想到的是美食、药膳，在家庭的帮助下可以完成的可以放到家庭去做，带回来分享；有的同学想到了美容、养生，我们就启发孩子们市面上搜集相关的产品，探讨美容养生的机理，最后每个小组锁定一种中草药开始深入研究，有一个小组的目标锁定了艾草，提出：为什么用艾草艾灸？艾草食用的方法和功效有哪些？艾草能抗衰老吗？然后查阅文献，发现对于艾草的深入研究还不多，提出假设：艾草具有抗氧化能力。经过科学规范题目定位为“艾草的抗氧化的研究”，在开展自己的研究之前，第一步开始查阅文献，交流文献中研究的课题、研究方法、研究过程和结果讨论，这样，在孩子们开始探究之前，通过文献，了解自己的课题可以借鉴的研究方法，初步学习了科学探究的思路和过程，确定了自己要研究的问题。
2、 尝试设计方案 巩固科学原则
确定了研究方向，尝试设计研究方案，首先重温实验设计的基本原则，对照原则、单一变量原则、可重复性原则等重要原则，以“艾草的体外抗氧化实验”实验为例，假设艾草提取物有抗氧化的能力，从理论上论证,有抗氧化能力就意味着有还原力，那么设计一个氧化还原体系，艾草提取物将表现出还原氧化物的能力。借助化学知识和化学老师的帮助，开始设计研究方案，确定自变量为艾草提取物，因变量为还原力的大小,然后选择对照材料和检测仪器。在这个环节中我们采用自主设计 交流完善的方法 ,先从理论上检验实验方案的科学性,以科学实验的基本原则，设置对照、保证单一变量、排除无关变量的影响等为标准，分组设计，共同交流讨论,最后补充完善，这个程雪需要3-4节课。找不到漏洞后开始实验.以“艾草的体外抗氧化实验”实验为例,有的学生设计了两组实验,加艾草的和不加艾草的,有的学生设计的是加艾草提取液的,那么我们就比较一下哪种方案更科学?有的学生设计了已知强抗氧化能力强的试剂做对照,我们就分析一下加这一组对照和不加的区别,终于,最后得到了比较完善的方案：实验组：不同浓度的艾草提取液、对照组1：蒸馏水、对照组2：VC；试剂：一定浓度的铁氰化钾溶液和磷酸缓冲液配置而成的反应体系；检测指标：滴加等量三氯化铁，静置十分钟，放入分光光度计测测吸光值。
3 、析结果得推论 再推理再假设
实施操作实验是学生最感兴趣的环节，学生很期望实验结果符合预期。在这个环节我们要求学生严格操作过程，提前学习或者复习自己操作不熟练的仪器，比如分光光度计，在中学阶段用的比较少，需要预演几次，然后设计实验数据记录表格，将每一次的实验数据如实记录，最后结果显示，大部分符合预期（如表1）有个别数据偏离了预期，教师要引导学生分析偏离的原因。
表1 不同浓度的艾草纯露抗氧化能力测定（OD值原始记录） 
关键词 科学探究能力 中草药 案例
科学思维和科学探究是生物学核心素养中的重要组成，进一步加深对科学探究的认识、从学科核心素养的角度全面提高探究教学的效率，是落实课程标准要求的关键。中华医药很多人感兴趣，本文分享交流的中草药课例，将二者有机结合，以学生感兴趣的中草药为载体做系列探究活动，培养科学思维、提升科学探究能力，经过几年的实践，颇有成效。下面以“艾草的体内外抗氧化实验探究”为例作一简介。
1、 引导发现问题、提出假设
爱因斯坦曾经说:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”还有一种说法就是普通人和科学家的距离就差在“十万个为什么”，所以，引导孩子们提出要研究的问题是课程中比较困难的一步。我们尝试从中学生对中草药的认知入手，通过调查，统计孩子们已有的中草药知识，已经了解到哪些问题，还想进一步了解哪些问题，通过聘请专家，科普基础的中草药知识入门，国内外研究现状，激发孩子们对中医药深入了解的兴趣，通过观察百草园，参观中医药制作二次启发他们能想到什么问题，然后筛选出能统一到我们的课程中有研究意义的问题，比如：有的同学首先想到的是美食、药膳，在家庭的帮助下可以完成的可以放到家庭去做，带回来分享；有的同学想到了美容、养生，我们就启发孩子们市面上搜集相关的产品，探讨美容养生的机理，最后每个小组锁定一种中草药开始深入研究，有一个小组的目标锁定了艾草，提出：为什么用艾草艾灸？艾草食用的方法和功效有哪些？艾草能抗衰老吗？然后查阅文献，发现对于艾草的深入研究还不多，提出假设：艾草具有抗氧化能力。经过科学规范题目定位为“艾草的抗氧化的研究”，在开展自己的研究之前，第一步开始查阅文献，交流文献中研究的课题、研究方法、研究过程和结果讨论，这样，在孩子们开始探究之前，通过文献，了解自己的课题可以借鉴的研究方法，初步学习了科学探究的思路和过程，确定了自己要研究的问题。
2、 尝试设计方案 巩固科学原则
确定了研究方向，尝试设计研究方案，首先重温实验设计的基本原则，对照原则、单一变量原则、可重复性原则等重要原则，以“艾草的体外抗氧化实验”实验为例，假设艾草提取物有抗氧化的能力，从理论上论证,有抗氧化能力就意味着有还原力，那么设计一个氧化还原体系，艾草提取物将表现出还原氧化物的能力。借助化学知识和化学老师的帮助，开始设计研究方案，确定自变量为艾草提取物，因变量为还原力的大小,然后选择对照材料和检测仪器。在这个环节中我们采用自主设计 交流完善的方法 ,先从理论上检验实验方案的科学性,以科学实验的基本原则，设置对照、保证单一变量、排除无关变量的影响等为标准，分组设计，共同交流讨论,最后补充完善，这个程雪需要3-4节课。找不到漏洞后开始实验.以“艾草的体外抗氧化实验”实验为例,有的学生设计了两组实验,加艾草的和不加艾草的,有的学生设计的是加艾草提取液的,那么我们就比较一下哪种方案更科学?有的学生设计了已知强抗氧化能力强的试剂做对照,我们就分析一下加这一组对照和不加的区别,终于,最后得到了比较完善的方案：实验组：不同浓度的艾草提取液、对照组1：蒸馏水、对照组2：VC；试剂：一定浓度的铁氰化钾溶液和磷酸缓冲液配置而成的反应体系；检测指标：滴加等量三氯化铁，静置十分钟，放入分光光度计测测吸光值。
3 、析结果得推论 再推理再假设
实施操作实验是学生最感兴趣的环节，学生很期望实验结果符合预期。在这个环节我们要求学生严格操作过程，提前学习或者复习自己操作不熟练的仪器，比如分光光度计，在中学阶段用的比较少，需要预演几次，然后设计实验数据记录表格，将每一次的实验数据如实记录，最后结果显示，大部分符合预期（如表1）有个别数据偏离了预期，教师要引导学生分析偏离的原因。
表1 不同浓度的艾草纯露抗氧化能力测定（OD值原始记录）
分析结果可知：（1）不同浓度的艾草得到的纯露均有一定的吸光值，推测艾草具有一定的还原力即抗氧化性。（2） 61.3g新鲜艾草提取的纯露吸光值与0.2g/LVc 的吸光值接近，30.65g新鲜的艾草提取的纯露大于0.2g/L Vc的吸光值，单看这组数据艾草的抗氧化性可以与Vc媲美。（3）3组第三次的结果略显突出，应该和操作有关。
从实验结果来看，第一次实验的成功激发了学生探究的欲望，课余时间，学生们又多次重复了实验，发现结果都和预期方向一致。然后老师继续引导提出问题，我们是不是因此可以说艾草具有抗氧化能力甚至预防衰老预防疾病？经过思考讨论，大家又确定了下一个研究课题：艾草黄酮类物质清除自由基能力的实验探究，有了前面的探究历程，再提出问题、做出假设、设计方案显然有了很大进步。实验结果如表2：
表2 艾草醇提液清除自由基实验测定。
从实验结果来看，第一次实验的成功激发了学生探究的欲望，课余时间，学生们又多次重复了实验，发现结果都和预期方向一致。然后老师继续引导提出问题，我们是不是因此可以说艾草具有抗氧化能力甚至预防衰老预防疾病？经过思考讨论，大家又确定了下一个研究课题：艾草黄酮类物质清除自由基能力的实验探究，有了前面的探究历程，再提出问题、做出假设、设计方案显然有了很大进步。实验结果如表2：
表2 艾草醇提液清除自由基实验测定。
实验备注说明：这是一个体内自由基清除模拟实验【3】，模拟的是艾草醇提物与人体衰老有关的自由基之一羟基自由基的结合，羟基自由基的制备：分别向3比色管中依次加入1mol/LFeSO4 3ml，3mol/L H2O2 3ml,摇匀，接着加入8ml浓度为3 mol/L的水杨酸溶液。第3组实验小组没有记录实验数据。
分析结果可知：各浓度的艾草醇提液体外实验都有清除一定量的自由基的能力，实验测试范围内随着艾草醇提液量的增加，清除率也增加。
小结：多次体外实验结果符合预期，学生的兴奋点高涨，是不是有一种物美价廉的抗衰食物被我们发现了，此时老师会不失时机地提出一个问题体外实验还有哪些问题不支持艾草可以作为抗衰大使？体外实验能否代表体内同样具有抗氧化能力？等等，于是，艾草研究小组又提出了新的假设：艾草的强的抗氧化性是某种或某些成分在发挥作用？艾草提取物在体内有抗氧化性。
4 体验真探究 提升探究能力
无论是上述哪种假设，在中学实验室已经很难完成，于是我们走进了北京中医药大学，在教授团队的带领下，我们接触了完整真实的科学探究过程：1 查阅文献我们想探究的问题从哪些方面入手？2 根据假设制备什么样的艾草提取液？3 模型鼠制备的方向以及制备过程？4 检测指标以及怎样检测？5 设计详细的实验方案？6 预期结果？7 可能的意外现象以及应对方式等。上述问题的解决经历了查阅文献、反复讨论交流、修改完善、再讨论再完善，两周的时间，然后才开始正式实验阶段，从艾草提取液制备、正常小鼠饲喂、模型鼠制作、灌胃观察、抽血检测等环节，暑假两个月，白天做实验，晚上整理实验记录，最终得到了如表3的结果：
表3艾草体内抗氧化作用研究数据（n=10,`X±SD）
分析结果可知：各浓度的艾草醇提液体外实验都有清除一定量的自由基的能力，实验测试范围内随着艾草醇提液量的增加，清除率也增加。
小结：多次体外实验结果符合预期，学生的兴奋点高涨，是不是有一种物美价廉的抗衰食物被我们发现了，此时老师会不失时机地提出一个问题体外实验还有哪些问题不支持艾草可以作为抗衰大使？体外实验能否代表体内同样具有抗氧化能力？等等，于是，艾草研究小组又提出了新的假设：艾草的强的抗氧化性是某种或某些成分在发挥作用？艾草提取物在体内有抗氧化性。
4 体验真探究 提升探究能力
无论是上述哪种假设，在中学实验室已经很难完成，于是我们走进了北京中医药大学，在教授团队的带领下，我们接触了完整真实的科学探究过程：1 查阅文献我们想探究的问题从哪些方面入手？2 根据假设制备什么样的艾草提取液？3 模型鼠制备的方向以及制备过程？4 检测指标以及怎样检测？5 设计详细的实验方案？6 预期结果？7 可能的意外现象以及应对方式等。上述问题的解决经历了查阅文献、反复讨论交流、修改完善、再讨论再完善，两周的时间，然后才开始正式实验阶段，从艾草提取液制备、正常小鼠饲喂、模型鼠制作、灌胃观察、抽血检测等环节，暑假两个月，白天做实验，晚上整理实验记录，最终得到了如表3的结果：
表3艾草体内抗氧化作用研究数据（n=10,`X±SD）
实验备注说明：SOD超氧化物歧化酶【4】，能够清除自由基保护细胞，GSH是细胞中自然合成的一种三肽【5】，与过氧化物及自由基结合，以对抗氧化剂对巯基的破坏，保护细胞膜中含巯基的蛋白质和含巯基酶不被破坏，同时还可对抗自由基对重要脏器的损害；MDA是丙二醛，机体脂质过氧化反应的最终代谢产物，其高低又间接反应了机体细胞受自由基攻击的严重程度。模型鼠是置于拘束实验装置，认为造成拘束负荷应激，过氧化物升高的状态鼠。
分析表3结果：与正常组比较，模型组中SOD及GSH含量明显下降，MDA含量明显上升，差异具有统计学意义（p<0.01），说明模型建造成功；与模型组比较，艾叶高剂量组SOD及GSH含量明显上升，差异具有统计学意义（p<0.01或p<0.05），MDA含量明显下降，差异具有统计学意义（p<0.1）；艾叶低剂量SOD及GSH均有上升趋势，差异无统计学意义，MDA含量亦无统计学意义。
实验结论：小鼠灌胃艾叶提取物后，SOD及GSH含量上升，MDA表达下降，说明艾叶在体内具有一定的抗氧化作用。
5 及时反思、传承与改进
科学探究是一种学习方式，它促使人们提出问题，获得证据并对这些证据进行严格的检验。因此在中草药课例中，我们始终坚持从学生的兴趣出发，培养科学思维和科学探究能力为主线，通过一个问题的系列研究，引导学生不断发现问题、提出假设、设计实验、分析结果、修正实验、得出结论、再启发进一步研究的问题，学生经历的是不同的操作环节，重温的是相同的科学探究历程，强化了科学探究原则，从模拟走向真研究，几年的实践，一届一届传承下来，思路越来越成熟，探究能力在实践中落实，让学生逐渐成为独立的思考者、学习者。在操作过程中也有不足，比如：在引导启发问题阶段，学生的认知水平和兴趣点不同，需要经历的时间不同，而提出问题的环节老师不能包办，造成有的小组到期末完不成一个完整的研究体系。这就需要老师深入了解学生的症结，同时开辟新的研究思路，提供更广范围的研究课题。总之，培养学生科学思维、科学探究、落实核心素养的课题会一直在路上。
主要参考文献：
【1】普通高中生物学课程标准，人民教育出版社，2017年版
【2】杨 铭， 刘恩山。生物学核心素养视角下的科学探究，《生物学通报》，2017，（9）
【3】冯慧萍,李亦聪. 羟自由基与水杨酸反应机理的初探[J], 光谱实验室，2009,（7）：931-935
【4】董亮,何永志,王远亮,董志扬.超氧化物歧化酶(SOD)的应用研究进展[J].中国农业科技导报,2013,15(05):53-58.
【5】谢雅清,梁晓美,叶伟霞.还原型谷胱甘肽的药理作用与临床应用研究进展[J].中国药业,2013,22(07):124-127.
实验结论：小鼠灌胃艾叶提取物后，SOD及GSH含量上升，MDA表达下降，说明艾叶在体内具有一定的抗氧化作用。
5 及时反思、传承与改进
科学探究是一种学习方式，它促使人们提出问题，获得证据并对这些证据进行严格的检验。因此在中草药课例中，我们始终坚持从学生的兴趣出发，培养科学思维和科学探究能力为主线，通过一个问题的系列研究，引导学生不断发现问题、提出假设、设计实验、分析结果、修正实验、得出结论、再启发进一步研究的问题，学生经历的是不同的操作环节，重温的是相同的科学探究历程，强化了科学探究原则，从模拟走向真研究，几年的实践，一届一届传承下来，思路越来越成熟，探究能力在实践中落实，让学生逐渐成为独立的思考者、学习者。在操作过程中也有不足，比如：在引导启发问题阶段，学生的认知水平和兴趣点不同，需要经历的时间不同，而提出问题的环节老师不能包办，造成有的小组到期末完不成一个完整的研究体系。这就需要老师深入了解学生的症结，同时开辟新的研究思路，提供更广范围的研究课题。总之，培养学生科学思维、科学探究、落实核心素养的课题会一直在路上。
主要参考文献：
【1】普通高中生物学课程标准，人民教育出版社，2017年版
【2】杨 铭， 刘恩山。生物学核心素养视角下的科学探究，《生物学通报》，2017，（9）
【3】冯慧萍,李亦聪. 羟自由基与水杨酸反应机理的初探[J], 光谱实验室，2009,（7）：931-935
【4】董亮,何永志,王远亮,董志扬.超氧化物歧化酶(SOD)的应用研究进展[J].中国农业科技导报,2013,15(05):53-58.
【5】谢雅清,梁晓美,叶伟霞.还原型谷胱甘肽的药理作用与临床应用研究进展[J].中国药业,2013,22(07):124-127.
爱心账号：50372001040019646
开户银行：
中国农业银行石家庄东方支行开户名称：河北省传统文化教育学会