Experiments naturals: portar el laboratori a l’aire lliure

A molts mestres els agrada fer les seves classes en excursions de camp. Llavors, per què confinem les lliçons de química al laboratori o a la classe? Els beneficis de fer classe a l’exterior estan ben documentats (Malone and Waite, 2016; Dillon et al., 2006), inclouen aspectes tant cognitius com d’habilitats. També se sap que per a la majoria d’estudiants, resoldre trencaclosques és més excitant que llegir llibres de text o escoltar lliçons.

Per aquests motius, hem decidit desenvolupar una estratègia basada en la investigació per a les classes de ciències, on els estudiants actuen com a ‘detectius’, primer creant les seves pròpies hipòtesis, a la classe, després recollint informació a l’exterior i aplicant les seves troballes a les hipòtesis.

En aquest article, descrivim una activitat enfocada a mesurar els nivells de glucosa i midó en plantes i fongs. Equipem els estudiants amb una bossa d’investigació que conté tot el que necessiten per al treball de camp químic. Al final de l’activitat, els estudiants tornen a la classe per a discutir els seus resultats.

L’activitat és adequada per a estudiants a partir de 16 anys, degut als coneixements de química involucrats i les fonts d’error que cal tenir en compte. La seqüència completa de l’activitat dura unes 3-4 hores.

Examinant el midó i la glucosa

Per a examinar la presència de midó, vam usar el test de iode utilitzant la solució de Lugol (iodur de potassi i iode), ja que aquest test simple és adequat per a emportar-se’l fora de la classe, i només requereix una gota per a obtenir un resultat.

Substituint el test tradicional per a detectar glucosa

Tradicionalment, la reacció de Fehling és utilitzada per a detectar glucosa (o altres sucres reductors). No obstant, com que alguns dels agents químics involucrats són ambientalment tòxics o corrosius, vam volem substituir aquest test.

Enlloc d’aquest test,  vam utilitzar tires test de glucosa dissenyades per a realitzar anàlisis d’orina. Aquestes donen un resultat semi-quantitatiu, que resulta un test més informatiu, així com també més segur i convenient per al treball de camp. Vam provar aquestes tiretes de tres productors diferents, i recomanem utilitzar aquelles que mostren concentracions de glucosa fins a un 5% - per exemple, el Keto Diabur Test 500 fet per Roche.

Fonts d’error

Com que les tires del test estan dissenyades únicament per a l’ús amb orina, hi ha algunes fonts d’error importants que cal tenir en compte quan s’utilitzen aquestes tires en altres contexts, ja que podrien reduir la precisió de la lectura obtinguda. Aquestes inclouen:

1. Color: el color fort d’algunes fruites i verdures pot emmascarar el color del resultat del test, que ha de ser comparat amb colors en una escala per a trobar la concentració de glucosa.
2. Química: les sàlvies i els sucs de les plantes són barreges complexes de molècules i ions, alguns dels quals poden interferir amb les reaccions químiques involucrades en el test. Per exemple, grans quantitats d’àcid ascòrbic podrien disminuir el resultat del test.
3. Viscositat: els líquids densos poden donar resultats que indueixen a error ja que hi ha més líquid en la tira del test, i les molècules de glucosa triguen més a arribar a la tira, ja que tenen més recorregut per difondre.
4. Practicitat: alguns equips d’anàlisi tenen escales que són difícils de distingir, i alguns equips mesuren més factors que la glucosa (com cetones o proteïnes) amb fins a deu quadrats del test per tira, que pot resultar confús pels estudiants.

Com funcionen les tires del test?

En les tires d’anàlisi de glucosa en l’orina comercials, dues reaccions enzimàtiques estan acoblades.

Primer, la glucosa és oxidada en una reacció que produeix gluconolactona (C6H10O6) i peròxid d’hidrogen (H2O2):

C₆H₁₂O₆ + O₂      ^{glucosa oxidasa}    >  C₆H₁₀O₆ + H₂O₂

Per a fer la reacció visible, el peròxid d’hidrogen és llavors reduït per un altre enzim (una peroxidasa), i en el procés oxida una substància química anomenada cromogen. El cromogen gradualment canvia el seu color a mesura que és oxidat, de manera que el color final depèn de la quantitat de glucosa present originalment.

Finalment, per a trobar la concentració de glucosa, el color obtingut és comparat amb una fila de blocs de colors és comparada subministrada en l’equip (vegeu figura 1 i figura 2).

 

 

Fase 1: Aprenent a utilitzar els tests

Treballant en grups, els estudiants aprenen a utilitzar els tests abans de sortir de la classe. Aquesta activitat inicial dura uns 20-30 minuts. Les bosses d’investigació s’han de preparar prèviament.

Materials

• Glucosa (dextrosa) en forma de tauleta
• Suc de poma, o solucions de glucosa ( p.e. 0,1% (0,1g/100ml) i 1% (1.0g/100ml))
• Menjar que contingui molt midó (p.e. patata, pa), o una suspensió de midó
• Bosses d’investigació, cadascuna ha de contenir el següent (vegeu figura 3):
  • Tires pel test de glucosa
  • Solució de Lugol (test de midó)
  • Mà de morter i morter (o un plat petit) per extreure suc de les mostres
  • Ganivet (per tallar branques o arrels)
  • Tovalloletes i aigua destil·lada (per netejar les eines)
  • Capsa per les deixalles
  • Lupa
  • Taula de tallar (opcional), guants i ulleres de seguretat

Procediment

1. Distribuir les bosses d’investigació, proporcionant una bossa per grup d’estudiants.
2. Demanar als estudiants de llegir les instruccions de l’equip com a preparació per a dur a terme un test  amb les solucions de glucosa o de suc de poma. Recordeu als estudiants que el quadrat del test s’ha de submergir en la mostra líquida només per un segon i l’excés de líquid ha de ser eliminat. Hauran d’esperar (normalment entre 30 segons i 2 minuts) abans de llegir el resultat.
3. Pel test de midó, col·loqueu una gota de la solució de Lugol a la mostra a analitzar. La solució virarà a negre si hi ha midó present, o es mantindrà de color marronós si el test és negatiu.

Fase 2: Decidint quines hipòtesis testar

Permeteu uns 20-30 minuts per a aquesta fase de discussió.

Procediment

1. Recordeu als estudiants el que ja saben sobre la glucosa com a molècula central en la respiració cel·lular, i també com a producte de la fotosíntesi en plantes (i per tant, la base del flux d’energia dels productors als consumidors primaris en els ecosistemes). EN química orgànica, la glucosa és el bloc de construcció de molts hidrats de carboni.
2. Establiu als estudiants la tasca de treballar com ‘detectius de molècules’ que busquen respostes mitjançant la detecció de glucosa i midó en l’ambient natural. Demaneu als estudiants, que haurien de treballar en grups de 3-5, de formular hipòtesis sobre el midó i la glucosa que puguin després investigar. La Taula 1 mostra a sota alguns exemples d’hipòtesis, amb raons per les quals els estudiants podrien proposar-les – les quals podrien ser falses o invàlides.

 Fase 3: Treball de camp

Suggerim 30-60 minutes per la fase a l’aire lliure de l’activitat; el temps necessari depèn parcialment en les condicions climatològiques. Els estudiants necessiten roba apropiada per estar a l’aire lliure, i endur-se una farmaciola és una precaució sensata.

Abans que comenci el treball de camp, comproveu el lloc on els estudiants duran a terme la investigació, i considereu l’estació de l’any. És segura la localització? Hi ha prou plantes, fruits del bosc i altres materials per a analitzar, i tenen els vostres estudiants permís per agafar-los?

Materials

Cada grup d’estudiants necessitarà:

• Bossa d’investigació (igual que en la fase 1)
• Càmeres, mòbils i/o llibretes, per a enregistrar les espècies investigades i els resultats obtinguts
• Opcional: guia de camp sobre les plantes comunes de la zona.

Procediment

1. Aneu amb els vostres estudiants al lloc, mantenint els grups junts de manera que pugueu contestar a les preguntes inicials.
2. Treballant en grups, els estudiants recullen mostres per a comprovar les seves hipòtesis. Les mostres poden incloure qualsevol de les següents:

• Fruits del bosc
• Fulles
• Arrels
• Brots
• Flors
• Llavors
• Escorça
• Fusta (de branques dels arbres)

3. Els estudiants analitzen les seves mostres per detectar glucosa i midó utilitzat l’equipament de la bossa d’investigació. Quan analitzen el midó, utilitzeu la lupa per veure els detalls – per exemple, en les llavors d’herba
4. Els estudiants recullen totes les seves pertinences i qualsevol deixalla abans de tornar a la classe.

Fase 4: Anàlisis i discussió

Permeteu almenys 45-60 minuts per a l’anàlisi i discussió en tornar a classe. Al principi, aconselleu els estudiants que no es preocupin si els seus resultats semblen imprecisos, ja que tant important és pensar amb les fonts d’error en les mesures (esmentat a dalt) per tenir en compte els resultats obtinguts,

Procediment

1. Primer, els estudiants escriuen les seves notes de camp­ i resultats de la fase de l’aire lliure. En els seus grups, discuteixen els seus resultats i defineixin conclusions sobre les seves hipòtesis inicials d’una manera que pugui ser presentada a la classe.
2. Aleshores els estudiants utilitzen internet per a descobrir els valors científics de referència pels ítems analitzats a l’aire lliure. És bastant difícil trobar fonts en línia per a plantes específiques; vegeu la secció de recursos al final d’aquest article per a veure pàgines webs suggerides. Recordeu als estudiants de ser especialment curosos al convertir unitats, de manera que així puguin comparar els valors de les tires del test amb fonts d’internet o llibres. Per a alguns ítems no comestibles, els estudiants poden intentar pensar en espècies similar que siguin comestibles i trobar els valors en bases de dades nutricionals, tal i com hem fet amb les fulles de dent de lleó i enciam (vegeu taula 2).

Els exemples d’aquí donen una idea realista dels resultats que podeu esperar: de vegades els valors són gairebé idèntics, i en altres casos hi ha grans diferències.

Discussió

Tota la classe hauria de discutir els resultats obtinguts per cada grup, les seves conclusions sobre les seves hipòtesis i la comparació amb les bases de dades.

Els temes per a la discussió dels resultats podrien incloure els següents:

• Per què hi ha més glucosa en els fruits del bosc que en les fulles?
• Per què no hi ha midó en els fruits dels bosc, però n’hi ha molt en les arrels?

Les preguntes relacionades amb la comparació de dades podrien incloure:

• Per què els valors dels resultats dels tests i de les bases són diferents?
• D’aquesta diferència quanta podria ser deguda a errors de mesura en el mateix test?
• Quanta diferència és degut a la variació natural?

Activitat d’extensió... i més enllà

Com a projecte de recerca addicional, els estudiants poden continuar la discussió sobre el midó per a investigar més profundament sobre els diferents carbohidrats produïts per plantes.

Hem estès aquest enfocament d’ensenyament a l’exterior a altres temes en química, per exemple: trobar diferents metalls i ions metàl·lics en la proximitat rural o urbana; investigant la química que de les fogueres; estudiant el canvi de fase de l’aigua; i mesurant els nivells de diòxid de carboni. Quines altres oportunitats hi hauria en la vostra localització?    

Agraïments

Aquesta unitat d’ensenyament és part d’un projecte anomenat ‘The mobile chemist’ (‘El químic mòbil’), que ha rebut suport financer del Departament d’Educació de la Universitat Àrtica de Noruega. Més informació sobre el projecte es pot obtenir contactant l’autor: jan.hoper@uit.no