Prirodni eksperimenti: izvođenje laboratorije napolje Teach article

Stvaranjem “laboratorije u rancu”, imate mogućnost bega iz laboratorijske klupe i izvođenje testova za skrob i glukozu u prirodi.

Mnogi nastavnici vole da imaju terensku nastavu. Zbog čega onda obično držimo časove hemije u laboratoriji i učionici? Prednosti predavanja na otvorenom su prilično dokumentovane (Malone and Waite, 2016; Dillon et al., 2006), i uključuju i kognitivne i aspekte bazirane na veštinama. Takođe je veoma poznato, da je za većinu učenika rešavanje zagonetki uzbudljivije nego učenje iz udžbenika ili slušanje predavanja.

Iz ovih razloga, odlučili smo da razvijemo jedan pristup zasnovan na istraživanju, gde će se učenici ponašati kao “detektivi”, najpre kreirajući svoje hipoteze u učionici, zatim prikupljajući informacije van učionice i proveravajući svoja otkrića u odnosu na te hipoteze.

U ovom članku, opisaćemo aktivnost fokusiranu na merenje nivoa glukoze i skroba u biljkama i gljivama. Opremamo učenike torbom za istraživanje koja sadrži sve neophodno za rad na terenu iz hemije. Na kraju aktivnosti, učenici se vraćaju u učionici i diskutuju o svojim nalazima.

Aktivnost je pogodna za učenike od 16 godina i starije, s obzirom da je uključena hemija i izvori greške koje treba razmotriti. Cela nastavna jedinica traje oko 3-4 sata.

Testiranje na skrob i glukozu

Za testiranje na skrob koristimo test sa jodom  u vidu Lugolovog rastvora (vodeni rastvor kalijum jodida i elementarnog joda), jer je ovaj test lak za izvođenje van učionice, a za dobijanje rezultata je potrebna samo jedna kapljica.

Zamena tradicionalnog testa za glukozu

Tradicionalno, Felingova reakcija se koristi za testiranje glukoze (i drugih monosaharida). Međutim, pošto su neke od uključenih hemikalija toksične ili korozivne, želeli smo da zamenimo ovaj test.

Umesto toga, koristili smo test trake za glukozu dizajnirane za analizu urina. Ovo daje polu-kvantitativni rezultat, pružajući informativnije, kao i bezbednije i praktičnije testiranje na terenu. Isprobali smo test trake tri različita proizvođača, i predlažemo korišćenje onog koji pokazuje koncentraciju glukoze do 5%- na primer, Keto Diabur Test 5000 od firme Roche.

Izvori greške

Pošto su test trake dizajnirane za upotrebu samo sa urinom, postoje određeni izvori greške koje treba uzeti u obzir pri korišćenju traka u drugim slučajevima, jer se može smanjiti tačnost dobijenih očitavanja. Ovo uključuje:

1. Boju: jaka boja nekog voća i povrća može da maskira boju rezultata testa, koji se poredi sa bojama na skali da bi se odredila koncentracija glukoze.
2. Hemiju: biljni sokovi ili voćni sokovi su kompleksne smeše molekula i jona, od kojih neke mogu uticati na hemijske reakcije uključene u test. Na primer, velike količine askorbinske kiseline mogu umanjiti rezultat testa.
3. Viskoznost: guste tečnosti mogu dati pogrešne rezultate pošto postoji više tečnosti na test-listiću, i glukoznim molekulima je potrebno više vremena da dođu do kraja, pošto moraju da difunduju do veće udaljenosti.
4. Praktičnost: neki test-kitovi imaju skale koje je teško razlikovati, a drugi mere više faktora osim glukoze (kao što su ketoni i proteini) i do 10 test-kvadratića na traci, što može biti zbunjujuće za učenike.

Kako test trake za glukozu funkcionišu?

U komercijalno dostupnim glukoznim testovima za urin, dve enzimske reakcije su spojene.

Prvo, glukoza oksidira u reakciji koja proizvodi glukonolakton (C₆H₁₀O₆) i vodonik peroksid (H₂O₂):

C₆H₁₂O₆ + O₂      ^{Glukoza oksidaza} >  C₆H₁₀O₆ + H₂O₂

Da bi reakcija bila vidljiva, vodonik peroksid se redukuje drugim enzimom (peroksidazom), i u tom procesu oksidiše u hemijsku supstancu zvanu hromogen. Hromogen postepeno menja svoju boju dok oksidira, stoga finalna boja zavisi od količine glukoze koja je prvobitno prisutna.

Na kraju, da bi se odredila koncentracija glukoze, dobijena boja se upoređuje sa nizom boja iz kita za testiranje (videti sliku 1 i sliku 2).

 

 

Faza 1: Učiti kako koristiti testove

Radom u grupama, učenici uče kako da koriste testove pre izlaska iz učionice. Ova početna aktivnost traje oko 20-30 minuta. Torbe za istraživanje treba pripremiti unapred.

Materijali

• Glukoza (dekstroza) u obliku tableta
• Sok od jabuke, ili rastvor glukoze (npr. 0.1% (0.1 g/100 ml) i 1% (1.0 g/100ml))
• Hrana bogata skrobom (npr. krompir, hleb), ili suspenzija skroba
• Istraživačke torbe, od kojih bi svaka trebalo da sadrži sledeće (videti sliku 3):
  • Test trake za glukozu
  • Lugolov rastvor (test za skrob)
  • Tučak i avan (ili drugi mali sud) za ekstrakciju soka iz uzoraka
  • Nož (za sečenje grana i korenja)
  • Maramice i destilovana voda (za čišćenje alata)
  • Kutiju za otpatke
  • Lupu
  • Dasku za sečenje (opciono) Rukavice i sigurnosne naočare

Procedura

1. Podeliti istraživačke torbe, dajući jednu torbu po grupi učenika.
2. Zamoliti učenike da pročitaju uputstvo na setovima za testiranje glukoze kao pripremu za izvođenje testa sa rastvorom glukoze ili sokom od jabuke. Podsetiti učenike da test traka potopi u uzorak tečnosti samo jedan sekund, a zatim se ukloni višak tečnosti. Treba sačekati (normalno između 30 sekundi i 2 minuta) pre očitavanja rezultata.
3. Za testiranje skroba, staviti jednu kap Lugolovog rastvora na uzorak koji se testira. Rastvor će promeniti boju u crno ako je skrob prisutan, ili ostati narandžasto- braon ukoliko je test negativan.

 Faza 2: Odlučivanje o hipotezi za testiranje

Dozvoliti oko 20-30 minuta za diskusiju.

Procedura

1. Podsetiti učenike na to šta već znaju o glukozi kao centralnom molekulu u ćelijskom disanju, i takođe kao produktu fotosinteze u biljkama (i samim tim na osnove protoka energije između proizvođača i primarnih potrošača u ekosistemima). U organskoj hemiji, glukoza je gradivna jedinica mnogih ugljenih hidrata.
2. Dati učenicima zadatak “molekulskog detektiva” koji traži odgovore putem detektovanja glukoze i skroba u prirodom okruženju. Pitajte učenike, koji bi trebalo da rade u grupama od 3–5, da formulišu hipotezu o skrobu i glukozi koju potom mogu da istraže. Tabela 1 ispod pokazuje neke od primera hipoteza, sa razlozima zašto učenici mogu da ih predlože i koje od njih mogu biti pogrešne ili manjkave.
3. Prikupiti i prodiskutovati hipoteze na času, i zadati svakoj grupi da proveri makar jednu. Idealno, svaka grupa bi trebala da istraži jedan slučaj kada je rezultat očitavanja glukoze visok i jedan kada je očitavanje glukoze nisko ili negativno.

 Faza 3: Terenski rad

Predlažemo 30–60 minuta aktivnosti van učionice; ovo vreme delom zavisi od vremenskih uslova. Učenicima će biti potrebna odgovarajuća odeća, a nošenje pribora za prvu pomoć predstavlja razumnu meru opreza.

Pre nego što se počne sa  terenskim radom, proveriti lokaciju na kojoj će učenici istraživati, i voditi računa o sezoni. Da li je lokacija sigurna? Da li ima dovoljno biljaka, bobica i drugih materijala za testiranje i da li Vaši učenici imaju dozvolu za njihovo branje?

Materijali

Svakoj grupi je potrebno:

• Istraživačka torba (kao u fazi 1)
• Kamera, pametni telefon i/ili sveska, za beleženje vrsta koje se istražuju i dobijenih rezultata
• Opciono: terenski vodič za uobičajene biljke na datom području

Procedura ​

1. Otići sa učenicima na lokalitet i držati grupe na okupu tako da možete odgovoriti na sva početna pitanja.
2. Radeći u grupama, učenici sakupljaju uzorke za testiranje svoje hipoteze. Uzorci mogu uključivati bilo šta od navedenog:

• Bobice
• Lišće
• Korenje
• Stabla
• Cvetove
• Semenje
• Kora drveta
• Drvo (od grana i grančica)

3. Učenici testiraju svoje uzorke na glukozu i skrob koristeći opremu iz istraživačke torbe. Pri testiranju na skrob, koristiti lupu za detalje – na primer, u semenima trava.
4. Učenici prikupljaju sve svoje stvari i otpad pre povratka u učionice.

Faza 4: Analiza i diskusija

Dozvoliti minimum 45– 60 minuta za analizu i diskusiju nakon povratka u učionicu. Na početku, posavetovati učenike da ne brinu ukoliko nisu dobili očekivane rezultate, pošto je isto toliko važno razmotriti uzroke greške pri merenjima (izdvojeno iznad) koja je uticala na dobijeni rezultat.

Procedura

1. Prvo, učenici pišu svoje napomene i rezultate iz faze na otvorenom. U okviru grupa diskutuju svoje rezultate i izvlače zaključak o svojoj početnoj hipotezi na način na koji se može predstaviti odeljenju.
2. Učenici potom koriste internet da pronađu naučne reference za stvari koje su testirali. Poprilično je teško pronaći nivoe glukoze za specifične biljke na internetu; pogledajte odeljak sa izvorima informacija na kraju ovog članka i predložene web adrese. Podsetiti učenike da posebno obrate pažnju prilikom pretvaranja jedinica, tako da mogu porediti vrednosti sa test štapića sa izvorima na internetu ili u knjigama. Za neke nejestive biljke, učenici mogu da razmisle o sličnim jestivim vrstama i pronađu te vrednosti u nutritivnoj bazi, kao što smo to uradili za listove maslačka i kupus (videti tabelu 2).

Ovi primeri daju realnu ideju o rezultatima koje možete očekivati: ponekad su vrednosti gotovo identične, dok u drugim slučajevima postoje velike razlike.

Diskusija

Ceo razred bi trebao diskutovati o rezultatima koje je dobila svaka grupa, njihovim zaključcima u vezi sa  hipotezama i poređenju sa bazom podataka.

Teme diskusije rezultata mogu uključivati sledeće:

• Zašto ima više glukoze u bobicama nego u listovima?
• Zašto nema skroba u bobicama, a ima ga mnogo u korenju?

Pitanja koja se odnose na upoređivanje podataka mogu uključivati:

• Zašto se razlikuju rezultati testa i vrednosti baze podataka?
• Koliko ovih razlika je nastalo usled grešaka pri merenju tokom samog testa?
• Koliko razlika je usled prirodne varijabilnosti?

Dodatna aktivnost… i dalje

Kao dodatni istraživački projekat, učenici mogu da diskutuju o skrobu kako bi proširili tematiku o različitim ugljenim hidratima koje biljke proizvode.

Proširili smo ovaj koncept predavanja na otvorenom i na druge teme iz hemije, na primer: pronalaženje različitih metala i jona metala u ruralnoj ili urbanoj okolini; istraživanje hemizma logorske vatre; proučavanje iz jednog u drugo agregatno stanje vode; merenje nivoa ugljen-dioksida. Koje druge mogućnosti mogu postojati u vašoj okolini?

Zahvalnica

Ova nastavna jedinica je deo projekta “Mobilni hemičar”, koji prima finansijsku podršku Odeljenja za obrazovanje na Arktičkom Univerzitetu Norveške. Više informacija o projektu je dostupno od autora, koga možete kontaktirati na jan.hoper@uit.no

Download

Download this article as a PDF