Изучение вопросов биотехнологии в курсе химии средней школы

Г.И. Шелинский предусматривает тему «роль химии в прогрессивном развитии человеческого общества» в 11 классе.

Программа Н.Е. Кузнецовой, И.П. Титовой, А.Ю. Жегина, Н.Н. Гара предназначена для общеобразовательных учреждений естественнонаучного профиля, поэтому в ней прослеживается экологизация курса химии. Авторы раскрывают роль химии в обеспечении жизни и прогрессивном развитии общества. И в 10 классе предлагаются темы: «вещества живых клеток» – полипептиды в природе (гормоны, антибиотики), а также «особенности процессов биотехнологии» – микробиологический синтез, применение генной инженерии и белковой инженерии, бактериальное выщелачивание, проблемы экологического и гуманитарного характера.

В 11 классе авторы рекомендуют темы «гидросфера», где рассматриваются биологические методы очистки воды и «биосфера», где затрагивается проблема микробиологического белка.

Л.С. Гузей, Р.П. Суровцева и Л.М. Кузнецова в своих программах не затрагивают, в явной форме, вопросы биотехнологии.

2.3 Вывод (оптимизация изучения основных направлений биотехнологии в средней школе)

Проанализировав школьные учебники и программы относительно содержания в них материала по вопросам биотехнологии, можно сделать вывод о том, что далеко не все программы предусматривают рассмотрение последних, а если и рассматривают, то в неполном объёме. Таким образом, помимо разработки единого комплекса уроков (элективного курса) по теме «особенности процессов биотехнологии» мы предлагаем примерный план включения материала с биотехнологическим уклоном в «стандартные» темы школьного курса химии.

Функция включения материала, в форме элективного курса – внутрипрофильная специализация обучения, в форме комплекса фрагментов – расширение знаний учащихся, преодоление оторванности учебного материала от жизни[1].

3. Разработка элективного курса и педагогический эксперимент

3.1 Тематическое планирование элективного курса «Основы биотехнологии»

1.      Биотехнология. Биотехнологические процессы в пищевой промышленности.

2.      Биотехнологическая переработка отходов.

3.      Бактериальное выщелачивание.

4.      Основы получения БАВ. Производство кормового белка.

5.      Производство аминокислот, витаминов и антибиотиков.

6.      Применение ферментов.

7.      Практическая работа «Приготовление иммобилизованных ферментных препаратов.

8.      Основы генной инженерии.

9.      Применение генной инженерии.

10. Итоговая проверочная работа.

3.2 Поурочное планирование элективного курса

УРОК №1 по теме «Биотехнология. Биотехнологические процессы в пищевой промышленности»

Задачи:

1.                 Образовательная: знакомство с биотехнологией как ярким примером интеграционных взаимодействий научных дисциплин. Хронология развития биотехнологии. Основные биотехнологические процессы в пищевой промышленности допастеровской эры.

2.                 Развивающая       а) развитие познавательного интереса учащихся при знакомстве с данным направлением человеческой деятельности;

б) формирование логического мышления в ходе изучения нового материала;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3.                 Воспитательная:  а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать познаваемость природы, на примере влияния человека на биотехнологические процессы пищевой промышленности;

б) воспитание такта и дисциплины на занятиях в общеобразовательном учреждении.

Ход урока:

1.                 Организация класса

2.                 Актуализация знаний

Биотехнология – что это такое? (мнения учащихся)

Биотехнология – использование в промышленности биологических систем или процессов (под запись).

Важно то, что человек смог создать самолет по принципу птицы, многоотсечные подводные лодки по принципу кольчатых червей (бионика – подражание природе), но даже не смог приблизиться к уникальности биологических систем в отношении узнавания и катализа (вспомните специфичность и активность ферментов).

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб. Они придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (сыр, уксус), изготавливали простейшие лекарства и т.д. Однако только разработка методов генетической инженерии привела к «биотехнологическому буму», свидетелями которого мы являемся.

3.                 Изучение нового материала

Но пойдем по порядку.

В своем современном варианте биотехнология, пожалуй, наука синтетическая:

Но у вас не должно быть мнение о ней как о прикладной дисциплине: «Нет и еще тысячу раз нет: я не знаю такой науки, которую можно было бы назвать прикладной. Есть наука и есть области её применения, и они связаны друг с другом, как плод с взрастившим его деревом» (Луи Пастер, 1871 г.)

Съезд европейской ассоциации биотехнологов разделил развитие биотехнологии на пять этапов: (под запись) [16]

1)                допастеровская эра (до 1865 года) – самобытные производства пива, вина, хлеба, сыра;

2)                послепастеровская (1866–1940) – производство органических кислот, растворителей, кормовых дрожжей, вакцин, очистка сточных вод.

В конце 19 века Луи Пастер установил, что микробы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды;

3)                эра антибиотиков (1941–1960) – началом которой послужило открытие Александром Флемингом способности Penicillium вызывать гибель микроорганизмов;

4)                эра управляемого биосинтеза (1961–1975) – производство аминокислот, витаминов, ферментов. Достижения, главным образом, селекции и биохимии микроорганизмов;

5)                эра генетической инженерии (70-е годы) – технология гибридных ДНК.

Сегодня мы разберем основные процессы допастеровской эры – производство некоторых продуктов питания (таблица выполняется на доске).

4.                 Вывод

Итак, изменилось ли ваше представление о биотехнологии, производстве продуктов питания?

УРОК №2 по теме «Биологическая переработка отходов»

Задачи:

1.                 Образовательная: изучение основ получения биогаза и очистки сточных вод. Знакомство с экологической биотехнологией.

2.                 Развивающая:      а) развитие познавательного интереса при знакомстве с новым направлением биотехнологии;

б) формирование логического мышления в ходе систематизации материала;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3.                 Воспитательная:  а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование человеком процессов и объектов живой природы для нужд общества;

б) воспитание мотивации к обучению в связи актуальности экологических проблем в современном мире.

Ход урока:

1.                 Организация класса

Вспомните, какой этап развития биотехнологии мы разобрали на предыдущем уроке?

Какой химический процесс лежит в основе всех бродильных(спиртовых) производств?

2.                 Актуализация знаний

Ни для кого из вас не секрет, что человек в ходе своей деятельности создает большую экологическую нагрузку окружающей среде (примеры учащихся). И здесь биотехнология внесла и вносит свой вклад. Под запись: специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии.

3.                 Изучение нового материала

(Основная часть урока проходит в форме лекции, позволяющей компактно передать учащимся укрупненную дидактическую единицу)

На сегодняшнем уроке мы «займемся» бытовыми отходами.

Необходимо отметить, что проблемой очистки сточных вод занялись только в 1890 году, когда был предложен первый биофильтр. Вообще, все биологические методы очистки сточных вод основаны на использовании закономерностей самоочищения водоемов.

Для очистки используют:

а) биофильтры – сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. С 1970 года на смену клинкеру и гравию в качестве пористого материала пришли пластмассы. Таким образом, видим сочетание механической (пористый носитель) и биологической (биодеградация органических остатков) очистки сточных вод. Недостаток – избыточный рост микроорганизмов и, как следствие, засорение фильтра.

б) биологические пруды – отстойные цветущие водоемы. Характеризуются малой эффективностью и большим временем самоочистки.

в) аэротенки – известны с 1914 года. Именно 1914 год считается годом рождения биоочистки сточных вод. Аэротенки – это огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий (Zoogloea) и микроскопических животных. Процесс очистки непрерывный, аэробный, т.е. нуждается в активной аэрации воздухом (отсюда высокие эксплуатационные расходы) и высоко эффективный.

г) «псевдоожиженный слой» – применяется с 1980 года по сей день. «Псевдоожиженный слой» – это сочетание биофильтра и активного ила. Подложка – полимерный носитель или песок. Процесс периодический и не требует аэрации. После биоочистки проводят дезинфекцию жидким хлором, хлорной известью, УЗ, озоном или электролизом.

Каким бы способом не проводилась биоочистка сточных вод, в конце имеем избыточную биомассу. Наиболее эффективный способ утилизации – анаэробное брожение с получением биогаза.

Биогаз – смесь 65% СН4; 30% СО2; 1% Н2S … NH3 …

Энергия 1,7м3 биогаза эквивалентна энергии 1м3 природного газа. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения или биометаногенез. Биометаногенез – сложный микробиологический процесс разложения органического вещества до СО2 и СН4 в анаэробных условиях (под запись).

Участвуют свыше 190 микроорганизмов.

Стадии:

90–95% используемого углерода превращается в метан, остальное в биомассу. Температура процесса 30–60ºС; рН ~ 7. Основное преимущество биогаза – возобновляемый и экологически чистый источник энергии.

4.                 Вывод

Итак, что же мы сегодня изучили? Какую роль, по вашему мнению, может сыграть технология биометаногенеза в ближайшем будущем в свете дефицита энергоносителей?

УРОК №3 по теме «Бактериальное выщелачивание»

Задачи:

1.                 Образовательная: расширить сведения учащихся о переработке отходов на примере использования промышленных отвалов. Рассмотрение основных процессов микробного выщелачивания. Промышленное использование на примере переработки медных отвалов.

2.                 Развивающая:      а) развитие познавательного интереса в процессе знакомства с материалом;

б) формирование логического мышления в ходе дедуктивного изложения материала;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3.                 Воспитательная:  а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать, что, при всей необычности процессов микробного выщелачивания, они закономерно вписываются во всеобщую биотрансформацию неорганических веществ;

б) «прививание» экологического мировоззрения.

Ход урока:

1.                 Организация класса

Какие виды очистки сточных вод вы можете назвать? Как вы понимаете понятие биометаногенез?

2.                 Актуализация знаний

Еще за 1000 лет до н.э. финикийцы извлекали медь из рудничных вод. Валлийцы (Британские острова) в 17 веке описали аналогичный процесс. Сегодня мы попытаемся разобраться в секрете древних металлургов. Тема урока: «Бактериальное выщелачивание».

3.                 Изучение нового материала

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10