Элективный курс "Биохимия" в школьном курсе химии

Введение

Знания из области биохимии, раскрывающие значение различных химических процессов природного и антропогенного происхождения для существования живых организмов, служат своего рода мостом, соединяющим курсы химии и биологии, основой для практического применения химических знаний в повседневной жизни. По своей сути биохимические знания имеют обобщающий характер, поскольку, опираясь на важнейшие теории и законы химии, они раскрывают специфику проявления этих законов и теорий в биологических системах, т. е. на более высоком уровне организации материи.

Глава 1. Элективный курс «Биохимия»

Далеко простирает химия руки свои в дела человеческие. Д.И. Менделеев

Биохимия – это химия жизни, или, более строго, наука о химических основах процессов жизнедеятельности. Сфера биохимии столь же широка, как и сама жизнь. Всюду, где существует жизнь, протекают различные химические процессы.

В ходе изучения этого курса мы ответим на вопросы: «что происходит?», «как происходит?» и, самое главное, «почему это происходит?».

Актуальность курса. Биохимия является базовой составляющей современной физико-химической биологии. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определяет здоровье как состояние «полного физического, духовного и социального благополучия, которое не сводится к простому отсутствию болезней и недомоганий». Со строго биохимической точки зрения организм можно считать здоровым, если многие тысячи реакций, протекающих внутри клеток и во внеклеточной среде, обеспечивают его максимальную жизнеспособность и поддерживают физиологически нормальное состояние. Знание биохимии необходимо для решения проблем сохранения здоровья, выяснения причин различных болезней и поиска путей их эффективного лечения.

Данный элективный курс основывается на курсе «Биохимия», предложенном А.С. Коничевым и А.П. Коничевой, но отличается от последнего меньшим объемом теоретического материала и наличием большого количества лабораторных и практических работ. Создавая курс «Биохимия», я прежде всего ставила задачу приобретения учащимися экспериментальных умений и навыков. В программу включены разделы, касающиеся характеристики основных классов соединений, входящих в состав живой материи, обменных процессов, а также такие важные разделы биохимии, как изучение ферментов, витаминов, гормонов.

В содержании программы отражены научно-практические задачи биохимии, тесно связанные с актуальными вопросами биохимической экологии, что отражает современную тенденцию естественно-научного образования.

Многие вопросы, включенные в данный курс, не рассматриваются в школьной программе или изучаются фрагментарно.

Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что он хочет. И.П. Павлов

Схема образования глюкозы в процессе пищеварения

Цели курса: расширить и систематизировать знания учащихся о структуре и функциях белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов, полученные в курсах общей биологии и органической химии; познакомить с современными достижениями и перспективными направлениями развития биохимии.

Схема синтеза белка

Задача курса: создание условий для формирования и развития у учеников: – теоретических знаний и практических умений в области биологического эксперимента, позволяющих исследовать явления природы; – интереса к изучению биологии и проведению эксперимента; – умения самостоятельно приобретать и применять знания; – творческих способностей, умения работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения.

В процессе реализации данной программы учащиеся приобретают следующие конкретные умения:

– наблюдать и изучать явления и свойства веществ; –описывать результаты наблюдений;

–выдвигать гипотезы;

– отбирать необходимое оборудование для проведения эксперимента; –выполнять измерения;

– представлять результаты измерений в виде таблиц и графиков; –интерпретировать результаты эксперимента;

–делать выводы;

– обсуждать результаты эксперимента, участвовать в дискуссии.

Перечисленные умения формируются на основе следующих знаний:

– цикл познания в естественных науках: факты, гипотеза, эксперимент, теория; –роль эксперимента в познании;

–соотношение теории и эксперимента в познании;

– правила пользования химическим оборудованием.

Формы проведения занятий:

– лабораторные работы, наглядно отражающие биохимические закономерности, включают в себя формулирование цели работы, постановку задачи, перечень оборудования, описание хода работы, запись наблюдений, вопросы для проверки усвоения материала;

– решение биохимических задач, связанных с реальными жизненными ситуациями, проблемами здоровья человека;

–лекции; –дискуссии; –«круглые столы»;

–создание компьютерной презенатции Power Point;

– работа с Интернетом, СМИ.

Усвоив материал этого элективного курса, ученик должен знать:

–элементный состав клетки;

–неорганические и органические вещества клетки;

– свойства воды и ее роль в клетке.

Ученик должен уметь:

Охарактеризовать следующие термины и понятия, объяснить взаимосвязь между ними:

– полимеры, мономеры; – углеводы, моносахариды, дисахариды, полисахариды; – липиды, жиры, глицерин, жирная кислота; – аминокислота, полипептид, белок; – катализатор, фермент, активный центр; – нуклеиновая кислота, нуклеоитд; – АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ, УТФ, РНК, ДНК; – конформация, первичная, вторичная, третичная, четвертичная структуры; – ренатурация, денатурация.

Объяснять значение микро-, макро- и ультрамикроэлементов в клетке.

Содержание курса

Введение (1 ч)

Биохимия и здоровье, определение биохимии, задачи биохимии, области исследования. Биохимия и другие биологические науки. Общий экспериментальный подход, используемый в биохимии. Основные достижения биохимии.

Химический состав организма (2 ч)

Элементный состав организма. Понятие о главных биогенных элементах. Макро- и микроэлементы. Закономерности распространения элементов в живой природе. Потребности организмов в химических элементах. Химический состав организма человека.

Белки (З ч)

Роль белков в построении и функционировании живых систем. Аминокислотный состав белков. Типы связи аминокислот в белковой молекуле. Пептиды. Природные пептиды, их физиологическое значение. Структура белковых молекул. Функциональная классификация белков и характеристика отдельных групп. Белки как детоксиканты ксенобиотиков в организме.

Практические работы. Обнаружение азота и серы в белках. Обнаружение белка в мясном бульоне. Качественные реакции на аминокислоты и белки. Приготовление раствора белка (яичного альбумина). Денатурация белка.

Ферменты (2 ч)

Разнообразие каталитически активных молекул. Различия в свойствах ферментов и катализаторов небелковой природы. Специфичность действия ферментов. Понятие о субстратной специфичности и аллостерическом центре в молекуле фермента. Понятие о коферментах. Механизм действия ферментов. Активаторы и ингибиторы ферментов. Практическое использование ферментов.

Практические работы. Наблюдение расщепления пероксида водорода ферментом каталазой. Специфичность действия ферментов. Влияние на активность ферментов температуры, рН, активаторов и ингибиторов.

Витамины (2 ч)

История открытия витаминов. Роль витаминов в питании человека. Авитаминозы, гиповитаминозы и гипервитаминозы. Витамерия. Жирорастворимые витамины. Водорастворимые витамины.

Практические работы. Качественные реакции на витамины.

Нуклеиновые кислоты (3 ч)

История открытия нуклеиновых кислот, их химический состав. Характеристика пуриновых и пиримидиновых оснований. Два типа нуклеиновых кислот. Различие между ДНК и РНК. Центральный постулат молекулярной биологии – ДНК–РНК–белок – и его развитие. Строение и функции ДНК. Содержание ДНК в организме и локализация ее в клетке. Размер и форма молекул ДНК. Первичная структура ДНК. Успехи и перспективы расшифровки структуры геномов микроорганизмов, растений и животных. Проект «Геном человека». Вторичная структура ДНК. Комплементарность азотистых оснований и ее значение для воспроизведения структуры генов. Полиморфизм вторичной структуры ДНК. Третичная структура ДНК. Сверхспирализация ДНК. Избыточность и комплементарность молекул ДНК. РНК и их классификация. Сравнительная характеристика видов РНК по их структуре и функциям.

Практические работы. Выделение ДНК из печени.

Углеводы (2 ч)

Классификация углеводов. Простые углеводы и их представители (рибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза). Сложные углеводы. Дисахариды (сахароза, лактоза, мальтоза). Полисахариды, их структура и представители (гликоген, крахмал, целлюлоза, хитин). Функции углеводов.

Практические работы. Выявление углеводов.

Липиды (2 ч)

Общая характеристика и классификация липидов. Структура и функции липидов. Роль липидов в построении биологических мембран. Воска, их строение, функции и представители (спермацет, пчелиный воск). Стероиды. Стеролы. Структура и функции стероидов.

Практические работы. Выявление липидов. Гидролиз жиров под действием липазы. Влияние желчи на активность липазы.

Гормоны и их роль в обмене веществ (2 ч)

Классификация гормонов. Стероидные гормоны, механизм действия стероидных гормонов. Пептидные гормоны и механизм их действия. Применение гормонов в медицине и сельском хозяйстве.

Практические работы. Качественные реакции на гормоны.

Проблемы биохимической экологии (1 ч)

Антропогенные биоактивные вещества и проблемы химического загрязнения биосферы. Экологически безопасные способы воздействия на различные виды животных, растений и микроорганизмов.

Вопросы для контроля

Какие химические элементы преобладают в составе живых организмов?

Что такое микроэлементы?

Какие неорганические ионы содержатся в клетке?

Какова роль воды в жизнедеятельности клетки?

Назовите функции нерастворимых неорганических веществ в клетке.

Какие цветные реакции доказывают наличие белка?

Что такое денатурация? Может ли она быть обратимой?

Какие химические свойства характерны для белков? Приведите примеры.

Почему соли тяжелых металлов вызывают отравление организма?

Почему при попадании кислоты на кожу происходит ожог?

Как проявляется активность фермента каталазы в живых и мертвых тканях?

Как влияет измельчение ткани на активность фермента?

Различается ли активность фермента в живых тканях растений и животных?

Как бы вы предложили измерить скорость разложения пероксида водорода?

Как вы считаете, все ли организмы содержат каталазу – фермент, обеспечивающий разложение пероксида водорода?

Укажите основные особенности первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур белка.

Каковы основные функции белка?

Какие углеводы содержатся в клетках животных и растений? Охарактеризуйте биологические функции углеводов.

На основании каких общих особенностей вещества относят к липидам?

Каковы биологические функции липидов?

Какие группы химических соединений представлены в числе липидов?

Перечислите основные разновидности нуклеиновых кислот.

Что такое принцип комплементарности?

Сравните функции ДНК и различных видов РНК.

Как используются в клетке макроэргические соединения?

Глава 2. Изучение вопросов биохимии в средней школе

Курс химии средней школы включает в себя самые разнообразные направления современной науки: общую, неорганическую, органическую, физическую и биологическую химию. Задача учителя состоит в том, чтобы показать учащимся взаимосвязи между различными отраслями химии, а также между химией и другими областями знаний, чтобы в сознании школьников выстраивалась целостная картина мира.

Биохимический материал способен изменить отношение школьников к химии. Традиционное содержание предмета создает у учащихся впечатление, что главное достижение науки химии — это современное химическое производство, ставшее одной из причин загрязнения среды обитания и ряда других негативных явлений. Биохимический компонент содержания школьного химического образования раскрывает значение химических исследований для разгадки самых сокровенных тайн природы — сущности и возникновения жизни на планете. При этом меняется угол зрения на цели и задачи химии, делается акцент на поиск путей построения гармоничных отношений общества и природы, в том числе и в сфере химического производства.

Кроме того, биохимические знания и эксперимент важны и для химико-экологического образования. Биохимический эксперимент позволяет обнаружить эффекты от воздействия различных факторов внешней среды на живые организмы, а биохимические знания — интерпретировать результаты исследований, раскрывая химические механизмы этих воздействий.

К сожалению, приходится констатировать, что выпускники педагогических вузов не готовы к реализации многогранных возможностей биохимического содержания школьного курса химии. Рассмотрим причины этого.

К числу объективных причин, не зависящих от подготовленности учителя, относится раздробленность биохимического содержания между разделами школьного курса химии. При этом в школьных программах, представленных разными авторами, объем биохимического материала довольно значителен, но его размещение не позволяет школьникам составить целостное представление о химических законах, действующих в живых системах. Рассеянность биохимического материала приводит к потере его обобщающего значения по отношению к химическим знаниям.

К субъективным причинам недостаточно высокого уровня освещения биохимических вопросов в школе относится слабая методическая подготовка выпускников педагогических вузов.

Задачи курса биохимии, ориентированного на методическую подготовку студентов

Соотнесение каждой темы вузовского курса со школьной программой по химии и биологии для того, чтобы установить, какие именно знания и умения и в каком объеме должны усвоить школьники, а также в какие темы и разделы эти знания включены.

Обучение будущих учителей такой схеме анализа биохимических понятий, которая позволила бы использовать эти понятия для обобщения химических знаний.

Обучение студентов планированию и использованию биохимического эксперимента в школьном курсе химии.

Закрепление методических умений, которые студенты приобретают в процессе изучения курса методики преподавания химии, на биохимическом материале (постановка педагогических целей и задач, учебных проблем, организация учебной деятельности школьников по их решению с применением определенных методов, форм и средств обучения).

Чтобы решить поставленные задачи, потребовалось внести изменения в структуру содержания курса биохимии, который переполнен частными фактами в ущерб формированию целостной картины обмена веществ. Для будущего учителя важно усвоить главную идею курса, т. е. уметь объяснить, каким образом из неживых химических структур возникает новое качество — жизнь.

В связи с этим содержание курса биохимии для будущих учителей было выстроено на основе принципа содержательного обобщения1. В соответствии с этим принципом в основу содержания положено одно наиболее общее понятие — обмен веществ, а изложение построено по принципу «от общего к частному». Понятие «обмен веществ» фиксирует главную идею биохимии, суть которой состоит в том, что ни одна химическая структура, взятая в отдельности, не является живой, только взаимное влияние, взаимосвязь, взаимная обусловленность химических структур и процессов приводят к возникновению жизни. Взаимосвязь структур и процессов, их взаимное влияние и взаимное проникновение и составляют обмен веществ. Наличие самопроизвольно протекающего внутреннего и внешнего обмена веществ служит существенным отличием биологической системы от систем неживой природы.

Весь последующий процесс изложения основ биохимии представляет собой наполнение общего и абстрактного понятия «обмен веществ» конкретным содержанием. Для этого каждое новое понятие биохимии соотносится с понятием «обмен веществ», встраивается в него и тем самым его конкретизирует. Процесс встраивания частных понятий в наиболее общее основывается на установлении между ними связей различных типов. В результате сложилась схема анализа каждого биохимического понятия на трех уровнях, основанная на целостном подходе к изучению любого объекта.

Во-первых, схема предусматривает возможность установления эволюционных связей биохимического объекта, выяснения его происхождения. Эволюционный подход позволяет определить, какие характеристики объекта являются существенными, отличают его от аналогичных объектов неживой природы. Например, установление отличительных особенностей строения белков по сравнению с другими классами полимеров через анализ их происхождения дает возможность объяснить особую роль, которую играют белки в химической организации живого.

Исследование эволюции химических процессов позволяет выявить особенности процессов биологического окисления и синтеза, которые лежат в основе целостного обмена веществ.

Во-вторых, для каждого понятия биохимии можно установить структурно-функциональные связи, позволяющие осмыслить зависимость между химической организацией и биологическими функциями структур и процессов.

В-третьих, можно определить экологические связи объекта. Экологический подход дает возможность рассмотреть вклад той или иной химической структуры или процесса в поддержание жизни биологических систем разных уровней организации (клетка, организм, популяция, биогеоценоз, биосфера), а также зависимость химической целостности биосистем от разнообразных факторов окружающей среды (абиотических, биотических, антропогенных).

Для того чтобы соединить в целостном учебном процессе усвоение биохимического содержания и методических умений, мы используем метод моделирования проблемных методических ситуаций. Условием решения методической проблемы является осознание студентами собственной учебной деятельности в сравнении с профессиональной деятельностью учителя химии и биологии. Будущему учителю нужно уметь посмотреть на один и тот же учебный материал как глазами студента-ученика, так и глазами учителя.

Взгляд учителя — это взгляд изнутри содержания: анализ структуры изучаемого материала, постановка педагогических целей, выделение учебных проблем, моделирование учебных проблемных ситуаций и выбор форм, методов и средств их разрешения.

Учащийся воспринимает учебный материал как целое — это взгляд на содержание как бы сверху. Для ученика важно субъективное восприятие — интересно или неинтересно, понятно или непонятно, трудно или легко. Взгляд на учебный материал с таких позиций позволяет учителю выявить интересы, мотивы, субъективные затруднения школьников при изучении той или иной темы.

Для того чтобы побудить студента проанализировать изучаемый материал с точки зрения учителя, мы использовали методические проблемные ситуации.

Проблемная ситуация 1. Представьте себе, что вы учитель химии (биологии), начавший подготовку к системе уроков по теме «Белки, их строение, свойства и биологические функции». Какие новые понятия должны усвоить учащиеся при изучении этой темы? Как оценить готовность класса к восприятию нового материала? Какие опорные понятия потребуется актуализировать перед началом изучения темы?

Для разрешения данной проблемной ситуации необходимо проанализировать школьные программы по химии и биологии. Новые и опорные понятия нужно разбить на три группы в зависимости от типа связей, которые они позволяют установить между наиболее общим понятием «обмен веществ» и понятием «белки». В результате будущие учителя получат представление об объеме и структуре изучаемой темы в школьных курсах химии и биологии.

Для выявления возможных мотивов изучения той или иной темы студенты анализируют собственный опыт учебной деятельности.

Задание. Проведите анализ вашего личного отношения к содержанию темы «Белки*. Дайте ответы на следующие вопросы.

Что для вас было самым интересным при изучении темы?

В каких ситуациях повседневной жизни вы используете или могли бы использовать полученные при изучении темы знания и умения?

Что вас удивило при знакомстве с учебным материалом?

Каких знаний или умений из этой области вам недостаточно? Что еще хотелось бы узнать о белках?

Учебные проблемы в биохимическом содержании студенты выявляют двумя путями: анализируя собственные затруднения при усвоении темы и применяя знания о способах выявления учебных проблем, полученные ими при изучении курса методики преподавания химии.

Проблемная ситуация 2. Представьте (вспомните) себя учеником. Какие вопросы были для вас самыми трудными при изучении темы «Белки»? Что было особенно трудно понять? Возможно, что некоторые вопросы остались без ответа до сих пор. Сформулируйте вопросы, которые вы задали бы учителю, выступая в роли ученика.

Еще одна методическая задача состоит в том, чтобы научить студентов составлять задания, способные создать проблемную ситуацию для школьников.

Проблемная ситуация 3. Предложите эксперимент, используя который вы как учитель химии (биологии) поставите перед учащимися проблему, связанную с: а) характером воздействия табачного дыма и этилового спирта на целостность белковых молекул; б) действием средств бытовой химии (ПАВ, растворители) на структуру и функцию белков. Как обосновать перед школьниками правила безопасной работы с бытовыми химическими препаратами?

Кроме того, студенты обучаются планированию и организации фрагментов уроков и целых уроков, включающих элементы биохимического содержания.

Проблемная ситуация 4. Предложите модель проблемной ситуации, которая способна побудить учащихся к участию в дискуссии о необходимости использования в повседневной жизни средств, способствующих улучшению внешнего вида человека (косметика, препараты для похудения и т. п.). Для этого приведите различные точки зрения на проблему. Составьте перечень вопросов для обсуждения, подберите материалы и составьте список рекомендуемой литературы. Организуйте дискуссию по предложенной проблеме в своей подгруппе.

Подготовка и проведение студентами уроков и их фрагментов заменяют традиционные контрольные мероприятия по биохимии — коллоквиумы и контрольные работы.

Глава 3. Методические разработки по биохимии

Интегрированный урок биологии и химии по теме: "Химия крови"

Тип урока: обобщающий семинар.

Цель: обобщить полученные на уроках химии и биологии знания о единстве процессов, протекающих в живой и неживой природе.

Задачи:

развивать умения применять и обобщать полученные знания;

развивать интерес к предметам естественно-научного цикла;

развивать навыки составления плана и конспекта урока.

Оборудование:

пробирки с реактивами для проведения качественной реакции на катион железа:

сульфат железа (II),

сульфат меди (II),

хлорид натрия,

красная кровяная соль.

Оформление:

стенд “Химия человека”;

упрощенная схема свертывания крови.

Подготовка учащихся к уроку: за 2 недели до урока учащимся раздаются вопросы для подготовки:

Химические элементы в клетках живых организмов.

Состав и функции крови.

Диффузия, тургор, осмос в клетке.

Гемоглобин, его химический состав.

Химическая природа процесса свертывания крови.

Защитные барьеры организма.

Иммунопрофилактика.

Ход урока

I. Учитель химии: наш семинар называется “Химия крови”, его цель – повторить и обобщить сведения о металлах, полученные вами на уроках химии, и о составе и функциях крови, которые вы изучали на уроках биологии.

Учитель биологии: как вы знаете, в нашем организме протекают единые биохимические процессы. Сегодня мы попытаемся еще раз это доказать. Работа на семинарском занятии будет строиться в соответствии с перечнем вопросов, с которым вы ознакомлены заранее. По ходу урока вы должны будете выполнить разноуровневые задания: