引導學生對實驗中呈現(xiàn)問題的分析與論證

張 旭 林宇辰

（ 北京市第四中學 北京 100034）

實驗是科學之基石， 是培養(yǎng)學生科學精神的重要手段。生物學是建立在實驗基礎上的學科，所有知識來自于前人基于實驗的總結和論證， 對于未知領域的探索同樣離不開科學、 嚴謹?shù)膶嶒灧治?。在中學生物學教學中，將知識帶入特定的情境中，通過對實驗的設計、分析和論證，逐步總結歸納，不僅有助于學生加深知識在頭腦中的印象，理解知識的內(nèi)涵， 更有助于其在學習的過程中逐步培養(yǎng)科學思維習慣，獲得情感、態(tài)度和價值認同。

教材中的實驗， 無論是探究性的還是驗證性的，都與教材符號化知識相呼應。將知識的產(chǎn)生置于特定情境中， 學生可在積極的參與過程中反復進行“假設—論證”的批判性學習。 然而，在具體實驗過程中，由于受多種因素的影響，不是每次實驗都與預期完全符合，例如“驗證酶的專一性”實驗中空白對照組： 淀粉液與斐林試劑也會出現(xiàn)顏色變化；即使結果與預期相同，許多學生在實驗中也會產(chǎn)生很多疑問和思考，例如α 淀粉酶的最適溫度為什么高達60℃、依據(jù)滲透作用的原理口腔上皮細胞是否也立即出現(xiàn)滲透吸水和滲透失水等。 這些在實驗過程中生成的問題是非常好的探究素材，教師一定要抓住契機，引導學生通過分析問題、查閱資料，提出假設，創(chuàng)造條件設計實驗論證。 以下為筆者在實驗教學過程中引導學生分析和解決問題的幾個案例。

1 實驗結果與預期不符時的思考——“驗證酶的專一性”實驗

1）原理：淀粉酶只能催化淀粉水解，蔗糖酶只能催化蔗糖水解。

2）預期：淀粉無自然分解，只有在淀粉酶的催化下被分解成還原性糖， 通過斐林特試劑檢測出現(xiàn)磚紅色沉淀。

3）實驗現(xiàn)象：淀粉溶液在還原性糖的檢測中出現(xiàn)顏色變化（表1）。

表1 淀粉溶液的還原性檢測

作為該實驗的空白對照， 淀粉溶液和蔗糖溶液分別與斐林試劑混合后， 在熱水浴環(huán)境中應無顏色變化， 由此證明出現(xiàn)顏色的變化是相應的酶催化的結果。但在實際實驗中，蔗糖溶液在還原性糖的檢測中無顏色變化，與預期相同，但淀粉溶液卻出現(xiàn)明顯紅色，與預期不符。排除人為因素導致的錯誤操作，重復實驗后結果仍與之前一致。教師在課上將問題呈現(xiàn)， 動員學生思考引起這一現(xiàn)象的原因，課下查閱資料，提出個人見解，并盡可能設計實驗進行論證。

學生提交的解釋主要包含以下幾種：①久置的淀粉溶液被雜菌污染， 雜菌產(chǎn)生的酶將淀粉轉(zhuǎn)化為還原性糖；②淀粉不純，加工提純過程中混有還原性糖；③淀粉本身無還原性，在加熱過程中發(fā)生化學反應，產(chǎn)生還原性糖；④實驗中所用的淀粉溶液具有一定還原性。

教師組織學生分析、討論，設計實驗論證4 種解釋。

1）關于假設1：可用新配的淀粉溶液重復實驗，實驗結果同上，排除雜菌污染導致變色。

2）關于假設2：該實驗所用的淀粉溶液來自國藥集團化學試劑公司生產(chǎn)的“分析純AR 500 g”可溶性淀粉，合格指標中含有“還原費林試劑物質(zhì)≤0.7%”一項，即淀粉溶液可能含有少量還原性糖，假設2 可能成立。 查閱試劑說明書得知，其含有的可溶性糖為麥芽糖，根據(jù)“麥芽糖在常溫下溶于水（每100 mL 水溶解108 g/20℃），而淀粉溶液常溫不溶于水”的原理，可設計實驗分離可溶性糖。取5g 可溶性淀粉置于100 mL 20℃蒸餾水中，充分攪拌形成淀粉懸濁液， 靜置2 h 即可觀察到淀粉全部沉淀于燒杯底部，上清液清澈、透明。 取上清液2 mL， 加入1 mL 本尼迪特試劑，90℃水浴加熱后無顏色變化； 吸取淀粉沉淀2 mL， 同樣處理，仍可觀察到試管底部出現(xiàn)少量黃色沉淀。 為增加實驗的準確性，取出上清液后向含有淀粉沉淀的燒杯中重新加入等量蒸餾水，混勻、靜置、去上清液，重復3 次，取淀粉沉淀進行還原性糖檢測，仍出現(xiàn)黃色沉淀，故可排除解釋假設2，即實驗中淀粉可能混有的還原性糖不是導致淀粉溶液變色的原因。

3）關于假設3：通過查閱《生物化學》后得知，“淀粉在水中加熱時， 淀粉粒吸水膨脹并發(fā)生破裂， 淀粉分子在水中失去結晶態(tài)， 同時形成膠懸液，這一過程稱為糊化。不同種類的淀粉物理和化學性質(zhì)存在明顯差異，當冷卻并長期放置時，直鏈淀粉分子會借助氫鍵重新結晶化并形成沉淀，而支鏈淀粉分子則形成穩(wěn)定的膠體， 靜置時不出現(xiàn)沉淀”［1］?？梢姷矸墼诩訜釛l件下并未發(fā)生共價鍵的斷裂。淀粉發(fā)生水解需要在特定的條件下進行，即“淀粉在酸和淀粉酶的作用下被逐步降解，生成分子大小不一的中間物，統(tǒng)稱糊精”［1］。

為驗證該理論的正確性， 筆者采用更換實驗材料的方法重復該實驗， 選取市售紅薯淀粉進行還原性糖檢測。實驗并未出現(xiàn)顏色變化，說明未加工的天然淀粉無還原性， 加熱過程中也不會發(fā)生化學變化產(chǎn)生還原性糖，假設3 被排除。

4）關于假設4：分析用可溶性淀粉與市售紅薯淀粉在還原性糖的檢測中結果不同， 是什么原因?qū)е逻@一差異？ 可溶性淀粉是否具有一定的還原性？ 教師可協(xié)助學生一同查閱文獻和專業(yè)教材尋找答案。 《生物化學》中提到“實驗室中常用的可溶性淀粉……是普通淀粉在7.5% HCl 中室溫下放置7 天形成的”［1］。 可見，分析用可溶性淀粉經(jīng)過酸化水解，淀粉長鏈被破壞，形成許多較小的直鏈淀粉。

直鏈淀粉和支鏈淀粉是天然淀粉的2 種組分。直鏈淀粉是葡萄糖通過α-1，4 糖苷鍵連接形成的線性分子，一端是還原端，另一端是非還原端，還原端暴露在鏈狀淀粉之外，具有與葡萄糖相同的還原性。 支鏈淀粉高度分支，分支點存在α-1，6 糖苷鍵連接，支鏈淀粉具有多個非還原端，但只有一個還原端，由于淀粉分子內(nèi)部和分子間的氫鍵的作用，其還原端隱藏在分子內(nèi)部， 不能被斐林試劑所檢測。當?shù)矸鄯肿颖幻附夂退峄夂螅^大的支鏈和直鏈淀粉形成許多較小的直鏈淀粉， 暴露的還原端較多，且分子內(nèi)部和分子間氫鍵作用減弱，可與斐林試劑發(fā)生反應，出現(xiàn)黃色至紅色沉淀，具體顏色因水解程度不同而不同：水解程度越高紅色越明顯。這便是分析用可溶性淀粉在還原性糖檢測中出現(xiàn)顏色變化的原因。 所以假設4 成立，實驗用淀粉具有一定的還原性，且1 500 μg/mL 的可溶性淀粉的還原性強度相當于13.5 μg/mL 葡萄糖［2］。

所以， 對于淀粉的還原性問題， 不能一概而論。當?shù)矸鄯肿颖凰獬奢^小、較多直鏈淀粉的可溶性淀粉時，具有一定的還原性，能與斐林試劑發(fā)生顯色反應，因此，將其應用在“探究酶的專一性”實驗中是不合適的，而分子較大的天然淀粉由于含較多的支鏈淀粉，所以幾乎無還原性，不能使斐林試劑變色； 當其被淀粉酶水解后產(chǎn)生還原性糖， 與斐林試劑反應生成磚紅色沉淀， 故可替代“分析純AR 500 g”可溶性淀粉完成本實驗。

2 由實驗引發(fā)的拓展性思考

2.1 關于酶最適溫度的思考 在“驗證酶的專一性”實驗中，催化淀粉水解的淀粉酶是來自植物的α 淀粉酶，最適溫度在60℃左右，所以實驗中的催化反應需要置于60℃水浴鍋中進行。 在實驗中有些學生會提出疑問：“每種酶都有最適溫度， 在該溫度下酶活性最強、催化效率最高。然而從植物中提取的α 淀粉酶的最適溫度卻高達60℃，原因是什么？ 酶的最適溫度由哪些因素決定？ ”這是一個非常好的問題， 有助于幫助學生更深刻地理解酶的結構和最適溫度的原理。如果沒有學生提問，教師亦可“拋出”該問題，引導學生思考。

通過課堂上的學習， 學生了解到隨著溫度的增加，酶促反應速率加快，當超過某一溫度時，由于酶逐漸變性，催化活性下降。由于教材難度和篇幅所限，該部分不要求學生掌握太深，但從科學概念的嚴謹性來看，顯然是不夠嚴謹?shù)?。因為導致酶催化活性下降的因素是酶蛋白逐漸變性失活，而導致蛋白質(zhì)變性的因素有很多， 除溫度外還有作用時間、pH 等多種因素，所以“最適溫度”并不是酶的特征物理常數(shù)， 是受多種因素影響的綜合結果。 當溫度逐漸上升，與一般化學反應相同，酶促反應加快。 但隨著溫度進一步升高，酶逐漸變性，催化速率降低抵消了升溫的效果， 導致反應速率下降。所以理論上溫度越高催化反應越快，而酶空間結構的熱穩(wěn)定性決定了最適溫度的大概范圍。同時，由于酶變性是隨時間累加的，所以通常情況下反應時間短，最適溫度高；反應時間長，最適溫度就低［1］。 所以，從該角度分析，α 淀粉酶的空間結構決定了其熱穩(wěn)定性較高， 在60℃仍未變性，因而獲得了更高的催化效率。實際上，通常情況下植物細胞內(nèi)的酶熱穩(wěn)定性略高， 其最適溫度在45～60℃之間； 動物體內(nèi)的酶熱穩(wěn)定性略低，在37～50℃［3］。

在實際教學過程中，教師可讓學生課下查閱資料，課上從活化能、酶空間結構等方面討論和分析，并逐步總結。 整個過程有助于學生對酶空間結構、催化本質(zhì)、最適溫度等概念的理解，同時也使學生認識到自然界中的酶并不一定在最適溫度下發(fā)揮催化作用，高溫通常伴隨著水分的蒸發(fā)，不利于植物生長，甚至對植物是致命的。 所以酶最適溫度的本質(zhì)其實是反映酶空間結構熱穩(wěn)定性的特征。

2.2 口腔上皮細胞對水的通透性研究 在“質(zhì)壁分離和復原”的實驗中，滴加高滲溶液后的洋蔥鱗片葉外表皮迅速失水，原生質(zhì)皺縮，紫色加深；用清水引流后，原生質(zhì)逐漸復原，紫色重新變淺。 由此證明原生質(zhì)層相當于一層半透膜， 水通過原生質(zhì)層自由擴散，由低滲向高滲流動。洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞和黑藻細胞都能出現(xiàn)明顯的質(zhì)壁分離和復原。 實驗完成后，有學生與教師課下交流，認為“該實驗只說明植物細胞通過水的擴散實現(xiàn)滲透吸水和失水，未涉及動物細胞，從實驗取材方面不夠嚴謹；按照實驗原理，預測動物細胞在高滲溶液中也會迅速出現(xiàn)皺縮、在清水中會迅速漲破”。 為此， 該學生選取最易獲得的口腔上皮細胞完成相關實驗。為避免染色劑對實驗的影響，在實驗過程中未使用任何染色劑， 實驗證明未經(jīng)染色在顯微鏡下同樣可清晰觀察到口腔上皮細胞。

實驗1：將剛刮取的細胞置于清水中，制成臨時裝片， 在高倍鏡下觀察10 min， 未觀察到漲破現(xiàn)象；重復實驗，時間延長至20 min（期間需要不斷滴加清水引流， 避免臨時裝片水分蒸發(fā)流失），仍未觀察到漲破現(xiàn)象。筆者將時間繼續(xù)延長至2 h。從1 h 開始， 逐步觀察到個別漲破的細胞，2 h 后可觀察到部分細胞漲破。

實驗2： 將剛刮取的細胞置于9% NaCl 高滲溶液中，制成臨時裝片觀察。 2 h 內(nèi)未觀察到細胞發(fā)生明顯的皺縮現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象與預期明顯不符。 通過查閱資料可知，水進出細胞的方式除自由擴散外，還依賴于一類載體蛋白——被稱為水通道或水孔蛋白的協(xié)助，即協(xié)助擴散。 水通道廣泛存在于動物、植物和微生物細胞的膜上， 水通道的種類和數(shù)目是不同細胞對水的通透率不同的主要原因［4］。 對某些組織來說，例如腎小管細胞對水的重吸收、唾液和眼淚的形成等， 水分子就必須借助質(zhì)膜上的大量水通道以實現(xiàn)快速跨膜轉(zhuǎn)運［5］。 水分子以自由擴散的方式進出細胞的速率是比較緩慢的， 所以水分子進出細胞主要通過水通道實現(xiàn)［6］。 1991年Agre將水通道（CHIP28）整合到蛙卵細胞膜上，并將其置于高滲溶液中，蛙卵細胞迅速膨脹至破裂，而沒有整合水通道的細胞幾乎無變化［7］。

所以可對以上實驗現(xiàn)象進行初步推測。 由于植物液泡膜上存在大量水通道［4］，所以植物細胞滲透吸水和失水的速率非?？臁?口腔上皮細胞屬于鱗狀被覆上皮組織，主要起保護作用，推測水通道很少（未查閱具體研究數(shù)據(jù)），導致水分子進出細胞的速率較慢， 故較長時間才觀察到細胞漲破現(xiàn)象。同時由于細胞質(zhì)基質(zhì)呈膠體狀態(tài)，該推測是否正確需進一步查閱更多文獻資料證實。 教師在實際教學中， 對于動物細胞滲透吸水和失水常以紅細胞為例。 實際上，水通道就是Agre 在1989年提純紅細胞RH 蛋白時意外發(fā)現(xiàn)的。 紅細胞膜上存在多種水通道，所以極易出現(xiàn)滲透吸水和失水。種類豐富的水通道與紅細胞對水的通透性和小分子氣體交換密切相關［8］。

由于實驗室條件有限， 有些推測無法設計實驗進行論證，需進一步查閱相關資料求證。可以肯定的是，基于實驗的教學是一種個性化、主體化的教學模式，具有濃重的啟發(fā)性、批判性、反思性等特征， 是培養(yǎng)學生科學性思維習慣的有效教學策略。 當下許多中學生物學教學，由于客觀條件、教師素質(zhì)或課時的限制，對實驗的開展極不重視，認為是可有可無的一件事，考試成績才是第1 位的。殊不知， 生物學教學中離開實驗談理論是空洞和無趣的，教師講得無論多精彩，由于沒有直觀的體驗，學生與知識的相遇常是被動的。這種被動式的教學方式直接導致的結果， 便是學生認為生物學科的學習是死記硬背、毫無樂趣的［9］。在實際教學過程中，實驗教學與情境教學相結合，例如“探究可溶性淀粉是否具有還原性”的實驗，教師可在課堂上將問題拋出， 引導學生獨自分析研究事件，提出解決方案， 在師生、 生生相互批判中反思、調(diào)整，最終由學生自己得出結論，實現(xiàn)將傳統(tǒng)的“教師講，學生學”的模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處熞龑?，學生自主研究”模式。