Experimentet som naturvetenskapligt arbetssätt

Transkript

1 Naturvetenskap Gymnasieskola Modul: Naturvetenskapens karaktär och arbetssätt Del 2: Experimentet som naturvetenskapligt arbetssätt Experimentet som naturvetenskapligt arbetssätt Marcus Angelin, Vetenskapens Hus, Jakob Gyllenpalm och Per-Olof Wickman, Stockholms universitet samt Kristina Bergmark och Åsa Forslin Aronsson, Tullinge gymnasium Det kontrollerade experimentet är en av de viktigaste metoderna som används vid naturvetenskapliga undersökningar. Det man generellt gör är att undersöka hur en variabel (den beroende variabeln) påverkas av en systematisk förändring av en annan (oberoende) variabel. Genom att kontrollera övriga oberoende variabler och hålla dessa konstanta, så kommer det som händer med den beroende variabeln med största sannolikhet vara orsakat av förändringen av den oberoende variabeln. Skulle man förändra flera oberoende variabler på samma gång blir det svårare att dra några slutsatser av vad en eventuell förändring beror på. I denna del beskriver vi först en kokbokslaboration som används i samband med undervisning om enzymer och proteinstruktur. Vi beskriver sedan hur denna laboration kan modifieras så att den blir mer öppen och fokuserar på hur man planerar och genomför ett kontrollerat experimentet. Dessutom ska eleverna lära sig hantera den tillhörande begreppsapparaten och kommunicera sina resultat. Elevinstruktioner för dessa två varianter av samma laboration finns längst bak i detta dokument i Bilaga 1 och 2. I moment B ber vi dig att själv ta en laboration som ni använder på er skola och försöka omvandla den till att fokusera på hur man lägger upp och genomför ett kontrollerat experiment. Beskrivning av de två varianterna av laborationer Det övergripande syftet med den laboration som vi använder som exempel (Variant 1) är att visa för eleverna att ett enzym fungerar som en katalysator för en kemisk reaktion. För att uppnå detta genomför eleverna en undersökning på enzymet amylas genom att stegvis följa ett recept som läraren har tagit fram. Det närliggande syftet blir huvudsakligen att lyckas genomföra laborationen och svara på frågorna. Vi har valt denna laboration för att visa hur man kan förändra denna så att syftet flyttas till det kontrollerade experimentet med planering och genomförande. Variant I I Kemi 1 har det nämnts att enzymer fungerar som katalysatorer. I början av Kemi 2 diskuteras reaktionshastigheter och då kommer enzymer tillbaka för att sedan behandlas mer ingående på slutet av kursen då proteinstruktur och aktivitet studeras. I samband med detta moment genomförs laborationen som heter Laboration enzymet amylas. Nedan följer en sammanställning av vad som händer under laborationen. 1 (10)

2 Innan laborationen har läraren dukat upp det som eleverna behöver för att genomföra laborationen. Läraren inleder med att berätta om enzymet amylas och dess funktion, samt påminna om lektionen där de gick igenom proteinstruktur och enzymer. Läraren delar upp eleverna i laborationsgrupper varefter de läser instruktionen (Bilaga 1) och ställer upp materialet de behöver på sin laborationsbänk. Läraren påminner: Tänk på att det är bättre om någon av er som inte ätit nyss samlar saliv. En i varje grupp sköljer munnen med vatten enligt beskrivningen medan de andra börjar märka upp provrör och bägare. Salivlösningen samlas i en liten bägare och eleverna fyller provrören med vatten, saltsyra och jod enligt beskrivningen. Ett kontrollprov bereds genom att lite stärkelselösning förs över till ett av provrören. Salivlösningen tillsätts till den resterande stärkelsen samtidigt som en av eleverna sätter igång timern på sin telefon. Vid specifika tidpunkter tas sedan prov från stärkelse-saliv-lösningen och tillsätts till de övriga provrören. Man kan tydligt se hur lösningen avfärgas med tiden. Eleverna blir nöjda över att de ser tydliga skillnader och att laborationen verkar fungera. Eleverna fortsätter sedan att jobba med följdfrågorna och de funderar på hur de ska presentera resultatet på ett bra sätt. Några försöker ta bilder av provrören för att på så sätt åskådliggöra färgskillnaderna. Diskussionen fortlöper fram till lektionens slut. Eleverna får därefter skriva en laborationsrapport som vi inte går närmare in på här. Variant II Laborationen följer en tidigare genomgång där eleverna har fått lära sig om proteiner, inklusive enzymer, samt vad som kan påverka deras struktur och därigenom aktivitet. Den laboration som blev resultatet av lärarnas förändringar är uppdelad på två tillfällen med en kort avstämning mellan dessa. Den heter Det kontrollerade experimentet som metod för att undersöka aktiviteten hos enzymet amylas. Nedan följer en sammanställning av vad som ofta händer under laborationens två delar. Se även filmen som visar delar av genomförandet. Det första tillfället inleds med att läraren delar ut laborationsbeskrivningen (Bilaga 2) och förklarar att syftet med laborationen är att lära sig om det kontrollerade experimentet och använda det som metod för att undersöka aktiviteten hos enzymet amylas. Läraren skriver sedan upp den grundläggande frågeställningen på tavlan: Hur kan vi påverka aktiviteten hos enzymet amylas? Läraren förklarar vidare det är alltså enzymaktiviteten som ni ska mäta idag och se hur den kan påverkas. Det vi mäter inom ett kontrollerat experiment kallas för beroende variabel. Detta antecknas på tavlan. Läraren låter sen eleverna komma med förslag på vad de tror kan påverka enzymaktiviteten och hänvisar till senaste lektionen där detta togs upp. Eleverna minns en del från lektionen och med lite hjälp så antecknas både temperatur, ph, enzym- och substratkoncentration. Läraren fortsätter dessa kallas för oberoende variabler och det är deras påverkan på enzymaktiviteten som ni ska 2 (10)

3 undersöka. Det är viktigt att ni inte ändrar mer än en variabel i taget så ni förstår hur varje enskild oberoende variabel påverkar den beroende variabeln. Därför vill jag nu att vi delar upp de oberoende variablerna så att varje laborationsgrupp kan fokusera på varsin. Eleverna delas nu upp i fyra grupper så att varje grupp får ansvara för en oberoende variabel. Läraren skriver även ner de specifika frågeställningar utifrån detta: 1. Hur påverkar temperaturen aktiviteten av enzymet amylas? 2. Hur påverkar ph aktiviteten av amylas? 3. Hur påverkar substratkoncentrationen aktiviteten av amylas? 4. Hur påverkar enzymkoncentrationen aktiviteten av amylas? Läraren ber sedan elevgrupperna att börja planera sina experiment. De blir också informerade om att laborationen ska avslutas med en kort muntlig redovisning där eleverna ska redovisa data, tolkning och slutsats (svar). Varje grupp får också i uppgift att ställa minst en fråga till en av de andra grupperna under redovisningsdelen. Läraren går runt medan grupperna diskuterar och ger även i viss mån rådgivning. Nyckelfrågor som uppkommer under experimentplaneringen: 1. Hur ska ni mäta den beroende variabeln (enzymaktiviteten)? 2. Hur ska ni förändra er oberoende variabel så att ni kan se hur den påverkar? 3. Hur ska ni se till att inte de andra variablerna påverkar? Flera frågor om mängder och volymer dyker upp och läraren kan då komma med förslag och även hänvisa till de rekommendationer som finns givna i beskrivningen. Läraren är tydlig med att använda den korrekta terminologin. När grupperna har kommit en bit på väg ber läraren dem att även fundera på en hypotes och förklarar vidare Kom ihåg att en hypotes är en möjlig förklaring till hur det fungerar. Jag vill att ni har tänkt på det då det är dags att genomföra ert experiment. Elevgrupperna fortsätter sedan med planeringen och hypotesuppställningen på egen hand och får sedan kort återkoppling, skriftlig och muntlig, innan det andra tillfället som sker en knapp vecka senare (Bilaga 3). Bland annat påminner läraren några grupper om att använda kontrollprov där de inte tillsätter enzym. På så sätt får de ytterligare ett verktyg för att upptäcka om det skulle ske något oväntat under experimentet. De får även enas om en hypotes som de själva kopplar till teori om katalysatorer och reaktionshastighet. Vid det andra tillfället så har grupperna fått kort återkoppling och sin experimentplanering godkänd. De samlas och läraren visar var de ska hålla till, samt var materialet står. Eleverna kommer sedan igång med laborerandet. De arbetar efter sina planeringar men behöver då och då göra mindre justeringar av diverse praktiska skäl. Stämningen är god och det diskuteras mycket inom grupperna. Läraren går också runt och diskuterar planering, genomförande och deras insamlade data. En grupp märker att stärkelse-jod-komplexet 3 (10)

4 avfärgas vid högt ph, även utan enzym. Tur att vi hade kontrollprov! utbrister en elev. En annan grupp tycker att en datapunkt inte stämmer överens med deras hypotes. Kanske behöver vi göra om det?, funderar de vidare. Efter en dryg timme är alla grupperna ganska klara och i vissa fall är resultaten i linje med deras hypoteser, medan det i andra fall är mer oklart. Under redovisningarna blir det mycket bra diskussioner och läraren är även där med och bedömer analysen samt hur eleverna hanterar de olika begreppen. Flera av grupperna ser tidsuppskattningen för avfärgandeprocessen som en stor felkälla. Det blir väldigt godtyckligt och någon typ av spektrometri vore att föredra, säger en elev. Som helhet talar diskussionerna för att eleverna förstått sina experiment. I de fall där det inte har blivit som förutspått, har de rimliga förklaringar om vad det kan bero på och hur man skulle kunna fortsätta. När läraren går in och frågar specifikt om de olika begreppen, ger eleverna intryck av att även kunna hantera dessa. Kommentarer Den laboration som vi utgick ifrån (Variant I) har som övergripande syfte att visa hur ett enzym katalyserar en kemisk reaktion, det vill säga att verifiera teori. Den är i övrigt av kokbokskaraktär och har noll frihetsgrader. Variant II flyttar istället syftet till att huvudsakligen rikta in sig på det kontrollerade experimentet som naturvetenskapligt arbetssätt. Det övergripande syftet blir mer specifikt att lära sig hur man lägger upp och genomför ett kontrollerat experiment samt att kunna hantera tillhörande begrepp och termer. Det närliggande syftet för eleverna blir att undersöka hur aktiviteten för enzymet amylas påverkas av en specificerad oberoende variabel. Laborationen har också en betydligt mer öppen/guidad karaktär med mellan en och två frihetsgrader. Det gick tydligt att se att syftet flyttades till den laborativa processen. Under Variant I följde eleverna de givna instruktionerna och reflekterade i övrigt inte nämnvärt över genomförandet. Om resultaten blev som förväntat blev de nöjda, medan de blev missnöjda om något gick fel. Under Variant II pågick hela tiden ett kritiskt granskande av experimenten, vilket resulterade i både ökad noggrannhet och vissa förändringar. En av grupperna upprepade flera försök på grund av upplevda osäkerheter vid pipetteringsförfarandet och en annan grupp justerade experimentuppställningen för att tydligare kunna avläsa resultaten. Flera andra typer av justeringar och förbättringar gjordes också under laborerandet. Vad det gäller språket så märktes det inledningsvis att eleverna inta är vana vid de nya begreppen och istället använde andra ord och uttryck. Läraren gick runt mellan grupperna och bad dem förklara vad de gjorde och även klargöra betydelsen av de olika begreppen. Det märktes då tydligt att eleverna fick brottas med begreppen och en grupp blandade till exempel helt ihop den beroende och den oberoende variabeln. Det som var intressant var att efter den händelsen så utbröt det, utan lärarens inblandning, små diskussioner inom och mellan grupperna där de till slut insåg att de hade blandat ihop begreppen. Det blev sedan tydligt under presentationsdelen att grupperna förstod begreppen och det kom fram många bra förslag på felkällor och möjliga förbättringar. 4 (10)

5 Vad det gäller bedömning så öppnar förändringen av laborationen upp möjligheter att bedöma betydligt fler kunskaper och färdigheter. Följande kunskapskrav skulle till exempel kunna bedömas i samband med Variant II: 1. Redogöra för innebörden av begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder. 2. Formulera relevanta hypoteser och egna frågor. 3. Planera och genomföra experiment och observationer på ett tillfredsställande sätt med handledare. 4. Tolka sina resultat, utvärdera sina metoder med omdömen och motivera sina slutsatser med resonemang. 5. Använda ett naturvetenskapligt språk och anpassa sin kommunikation till syfte och sammanhang. 5 (10)

6 Bilaga 1 Laboration enzymet amylas: Enzymer fungerar som katalysatorer. En katalysator sänker aktiveringsenergin för en kemisk reaktion. Enzymer skiljer sig från de oorganiska katalysatorerna genom att vara mer specifika. Faktorer som ph, temperatur, enzym- och substratkoncentrationer påverkar enzymets struktur och därigenom även enzymaktiviteten. Amylas är ett enzym som bland annat finns i saliv och katalyserar hydrolysen (sönderdelningen) av kolhydratet stärkelse. Amylasaktiviteten kan variera mycket mellan personer men även för samma person vid olika tillfällen. Ett reagens på stärkelse är jodlösning. En blå färg påvisar förekomsten av stärkelse. Om provblandningen blir färglös så har stärkelsen hydrolyserats. Syfte: Att undersöka enzymet amylas. Materiel: provrör, vattenbad, termometer, små bägare, pipetter, mätcylinder, Kemikalier: amylas, stärkelselösning, 6 mol/dm 3 saltsyra, jodlösning. Utförande Undersök enzymet amylas: 1. Tillverka en salivlösning genom att skölja munnen med ca 15 ml vatten i en minut. Samla upp lösningen i en liten bägare. Välj gärna någon som inte nyligen har ätit! 2. Värm ett vattenbad till temperaturen C. 3. Märk sex provrör med Tillsätt i varje provrör 1 ml vatten, 1 droppe saltsyra (6 mol/dm 3 ) och en droppe jodlösning. Sätt provrören i ett vattenbad med temperaturen C. 5. Ta ca 6ml stärkelselösning i en liten bägare. 6. Överför ca 1ml av stärkelselösningen till provrör 1. Använd detta som referens. 7. Tillsätt ca 1ml av salivlösningen till bägaren med stärkelselösning och starta ett tidtagarur. Rör om noga. 6 (10)

7 8. När det har gått en minut skall du ta 1 ml av stärkelse-salivlösningen och tillsätta det i provrör 2. Vilken färg får lösningen? 9. Gör på motsvarande sätt efter 2, 4, 6 och 10 minuter med provrör 3,4,5 och 6. Jämför färgen i provrören. Resultat: 1. Presentera resultaten på ett överskådligt sätt (text + något annat sätt). 2. Kommentera resultaten och försök dra någon slutsats. Frågor: 1. Vilken monosackarid bildas vid fullständig hydrolys av stärkelse? 2. Försök skriva en reaktionsformel. 3. Skriv ner ett förslag på en laboration där du undersöker hur aktiviteten hos enzymet amylas påverkas av temperaturen. Skriv ner utförandet. 7 (10)

8 Bilaga 2 Det kontrollerade experimentet som metod för att undersöka aktiviteten hos enzymet amylas Enzymer fungerar som katalysatorer. En katalysator sänker aktiveringsenergin för en kemisk reaktion. Enzym skiljer sig från de oorganiska katalysatorerna genom att vara mer specifika. Variabler som ph, temperatur, enzym- och substratkoncentrationer påverkar enzymets struktur och därigenom även enzymaktiviteten. Amylas är ett enzym som bland annat finns i saliv och katalyserar hydrolysen (sönderdelningen) av kolhydratet stärkelse. Amylasaktiviteten kan variera mycket mellan personer men även för samma person vid olika tillfällen. Ett reagens på stärkelse är jodlösning. En blå färg påvisar förekomsten av stärkelse. Om provblandningen blir färglös så har stärkelsen hydrolyserats (sönderdelats). En amylaslösning kan tillverkas genom att skölja munnen med ca 15 ml vatten i en minut. Samla upp lösningen i en liten bägare. Syfte: Att undersöka aktiviteten hos enzymet amylas. Uppgift: 1. Planera en laboration där ni undersöker aktiviteten hos enzymet amylas. 2. Utför och utvärdera er laboration vid nästkommande laborationstillfälle. Fundera på: Hur kan en hypotes kopplas till experimentets frågeställning? Vilka variabler undersöker ni och hur gör ni det på ett naturvetenskapligt sätt? Hur kan ni vara säkra på att få fram ett svar? 8 (10)

9 Bilaga 3 Exempel på elevernas initiala planeringar med återkoppling från läraren Exempel 1 Temperaturgruppen: Syfte: Undersöka hur aktiviteten hos enzymet amylas varierar beroende på temperaturen. Frågeställningar: Hur påverkas enzymaktiviteten när temperaturen varierar? Experimentbeskrivning: Amylaslösningen tillverkas genom att ta 15ml vatten och blanda i munnen. Sedan fylls ett provrör med lösningen. Två provrör med stärkelse och jod, ett används som referens. Lösningen med stärkelse och jod blir blå eftersom joden binder in till stärkelsen. Läraråterkoppling: Tänk på att tillsätta samma mängd jod till varje provrör. Lösningen kan vara lilablå (tänk ca 250 mikroliter/ml stärkelse) Båda provrören har samma temperatur. I båda provrören blandas buffertlösningen med 8 i ph. I ett av provrören blandas en amylaslösning med samma temperatur. Sedan mäts tiden för färgförändringen från att amylaset tillsattes till att den blå färgen helt försvinner med hjälp av ett tidtagarur. Läraråterkoppling: Tänk på att starta tidtagningen så fort amylaset har tillsatts. Detta görs sedan med lösningar av olika temperaturer för att undersöka hur aktiviteten varierar beroende på temperaturen. Olika temperaturer testas genom att variera temperaturen med hjälp av en värmeplatta. Temperaturer som ska undersökas: 1. 1: Experimentets rumstemperatur Kroppstemperaturen (37 grader celsius) 3. 3: 0 grader celsius 4. 4: 45 grader celsius 5. 5: grader celsius (vidare test inväntas) 9 (10)

10 Läraråterkoppling: Tänk på att använda rätt begrepp när ni laborerar och diskuterar under laborationen! De resterande oberoende variablerna måste också stabiliseras. ph stabiliseras genom tillsatts av en buffertlösning som har samma ph som salivet från försökspersonen. Detta testades före laborationen till ca 8. Läraråterkoppling: Använd kontrolleras istället för stabiliseras Koncentrationerna substratet och enzymlösningen hålls lika genom att samma mängd av samma två lösningar används genom hela laborationen. Läraråterkoppling: Tänk även på koncentrationen av jod-lösningen Läraråterkoppling: Obs! Ni kommer att få ansvar för att ställa minst en fråga till enzymkoncentrationsgruppen när vi diskuterar och utvärderar labben på onsdag. Exempel 2 Stärkelsekoncentrationsgruppen: Experimentbeskrivning 1 ml stärkelselösning med 1 V% tillsattes till ett provrör, 0,75 ml till ett annat provrör, 0,5 ml till ett tredje provrör och 0,25 ml till ett fjärde provrör. Alla lösningarna späddes sedan till 1 ml. Till vardera provrör tillsattes sedan några droppar jodlösning, 1 ml buffertlösning för ph 7 samt 1 ml amylaslösning. När amylaslösningen tillsattes startades ett tidtagarur. Tiden när lösningen i respektive provrör förlorat sin blåa färg noterades sedan. Läraråterkoppling: Tänk på att tillsätta samma mängd jod till alla provrören. En lilablå färg räcker bra. Läraråterkoppling: Ta inte alla prov samtidigt. Läraråterkoppling: Tänk på att använda rätt begrepp när ni laborerar och diskuterar under laborationen! Läraråterkoppling: Obs! Ni kommer att få ansvar för att ställa minst en fråga till ph-gruppen när vi diskuterar och utvärderar labben på onsdag (10)