引导学生对实验中呈现问题的分析与论证

张 旭 林宇辰

（ 北京市第四中学 北京 100034）

实验是科学之基石， 是培养学生科学精神的重要手段。生物学是建立在实验基础上的学科，所有知识来自于前人基于实验的总结和论证， 对于未知领域的探索同样离不开科学、 严谨的实验分析。在中学生物学教学中，将知识带入特定的情境中，通过对实验的设计、分析和论证，逐步总结归纳，不仅有助于学生加深知识在头脑中的印象，理解知识的内涵， 更有助于其在学习的过程中逐步培养科学思维习惯，获得情感、态度和价值认同。

教材中的实验， 无论是探究性的还是验证性的，都与教材符号化知识相呼应。将知识的产生置于特定情境中， 学生可在积极的参与过程中反复进行“假设—论证”的批判性学习。 然而，在具体实验过程中，由于受多种因素的影响，不是每次实验都与预期完全符合，例如“验证酶的专一性”实验中空白对照组： 淀粉液与斐林试剂也会出现颜色变化；即使结果与预期相同，许多学生在实验中也会产生很多疑问和思考，例如α 淀粉酶的最适温度为什么高达60℃、依据渗透作用的原理口腔上皮细胞是否也立即出现渗透吸水和渗透失水等。 这些在实验过程中生成的问题是非常好的探究素材，教师一定要抓住契机，引导学生通过分析问题、查阅资料，提出假设，创造条件设计实验论证。 以下为笔者在实验教学过程中引导学生分析和解决问题的几个案例。

1 实验结果与预期不符时的思考——“验证酶的专一性”实验

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）预期：淀粉无自然分解，只有在淀粉酶的催化下被分解成还原性糖， 通过斐林特试剂检测出现砖红色沉淀。

3）实验现象：淀粉溶液在还原性糖的检测中出现颜色变化（表1）。

表1 淀粉溶液的还原性检测

作为该实验的空白对照， 淀粉溶液和蔗糖溶液分别与斐林试剂混合后， 在热水浴环境中应无颜色变化， 由此证明出现颜色的变化是相应的酶催化的结果。但在实际实验中，蔗糖溶液在还原性糖的检测中无颜色变化，与预期相同，但淀粉溶液却出现明显红色，与预期不符。排除人为因素导致的错误操作，重复实验后结果仍与之前一致。教师在课上将问题呈现， 动员学生思考引起这一现象的原因，课下查阅资料，提出个人见解，并尽可能设计实验进行论证。

学生提交的解释主要包含以下几种：①久置的淀粉溶液被杂菌污染， 杂菌产生的酶将淀粉转化为还原性糖；②淀粉不纯，加工提纯过程中混有还原性糖；③淀粉本身无还原性，在加热过程中发生化学反应，产生还原性糖；④实验中所用的淀粉溶液具有一定还原性。

教师组织学生分析、讨论，设计实验论证4 种解释。

1）关于假设1：可用新配的淀粉溶液重复实验，实验结果同上，排除杂菌污染导致变色。

2）关于假设2：该实验所用的淀粉溶液来自国药集团化学试剂公司生产的“分析纯AR 500 g”可溶性淀粉，合格指标中含有“还原费林试剂物质≤0.7%”一项，即淀粉溶液可能含有少量还原性糖，假设2 可能成立。 查阅试剂说明书得知，其含有的可溶性糖为麦芽糖，根据“麦芽糖在常温下溶于水（每100 mL 水溶解108 g/20℃），而淀粉溶液常温不溶于水”的原理，可设计实验分离可溶性糖。取5g 可溶性淀粉置于100 mL 20℃蒸馏水中，充分搅拌形成淀粉悬浊液， 静置2 h 即可观察到淀粉全部沉淀于烧杯底部，上清液清澈、透明。 取上清液2 mL， 加入1 mL 本尼迪特试剂，90℃水浴加热后无颜色变化； 吸取淀粉沉淀2 mL， 同样处理，仍可观察到试管底部出现少量黄色沉淀。 为增加实验的准确性，取出上清液后向含有淀粉沉淀的烧杯中重新加入等量蒸馏水，混匀、静置、去上清液，重复3 次，取淀粉沉淀进行还原性糖检测，仍出现黄色沉淀，故可排除解释假设2，即实验中淀粉可能混有的还原性糖不是导致淀粉溶液变色的原因。

3）关于假设3：通过查阅《生物化学》后得知，“淀粉在水中加热时， 淀粉粒吸水膨胀并发生破裂， 淀粉分子在水中失去结晶态， 同时形成胶悬液，这一过程称为糊化。不同种类的淀粉物理和化学性质存在明显差异，当冷却并长期放置时，直链淀粉分子会借助氢键重新结晶化并形成沉淀，而支链淀粉分子则形成稳定的胶体， 静置时不出现沉淀”［1］。可见淀粉在加热条件下并未发生共价键的断裂。淀粉发生水解需要在特定的条件下进行，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间物，统称糊精”［1］。

为验证该理论的正确性， 笔者采用更换实验材料的方法重复该实验， 选取市售红薯淀粉进行还原性糖检测。实验并未出现颜色变化，说明未加工的天然淀粉无还原性， 加热过程中也不会发生化学变化产生还原性糖，假设3 被排除。

4）关于假设4：分析用可溶性淀粉与市售红薯淀粉在还原性糖的检测中结果不同， 是什么原因导致这一差异？ 可溶性淀粉是否具有一定的还原性？ 教师可协助学生一同查阅文献和专业教材寻找答案。 《生物化学》中提到“实验室中常用的可溶性淀粉……是普通淀粉在7.5% HCl 中室温下放置7 天形成的”［1］。 可见，分析用可溶性淀粉经过酸化水解，淀粉长链被破坏，形成许多较小的直链淀粉。

直链淀粉和支链淀粉是天然淀粉的2 种组分。直链淀粉是葡萄糖通过α-1，4 糖苷键连接形成的线性分子，一端是还原端，另一端是非还原端，还原端暴露在链状淀粉之外，具有与葡萄糖相同的还原性。 支链淀粉高度分支，分支点存在α-1，6 糖苷键连接，支链淀粉具有多个非还原端，但只有一个还原端，由于淀粉分子内部和分子间的氢键的作用，其还原端隐藏在分子内部， 不能被斐林试剂所检测。当淀粉分子被酶解和酸化水解后，较大的支链和直链淀粉形成许多较小的直链淀粉， 暴露的还原端较多，且分子内部和分子间氢键作用减弱，可与斐林试剂发生反应，出现黄色至红色沉淀，具体颜色因水解程度不同而不同：水解程度越高红色越明显。这便是分析用可溶性淀粉在还原性糖检测中出现颜色变化的原因。 所以假设4 成立，实验用淀粉具有一定的还原性，且1 500 μg/mL 的可溶性淀粉的还原性强度相当于13.5 μg/mL 葡萄糖［2］。

所以， 对于淀粉的还原性问题， 不能一概而论。当淀粉分子被水解成较小、较多直链淀粉的可溶性淀粉时，具有一定的还原性，能与斐林试剂发生显色反应，因此，将其应用在“探究酶的专一性”实验中是不合适的，而分子较大的天然淀粉由于含较多的支链淀粉，所以几乎无还原性，不能使斐林试剂变色； 当其被淀粉酶水解后产生还原性糖， 与斐林试剂反应生成砖红色沉淀， 故可替代“分析纯AR 500 g”可溶性淀粉完成本实验。

2 由实验引发的拓展性思考

2.1 关于酶最适温度的思考 在“验证酶的专一性”实验中，催化淀粉水解的淀粉酶是来自植物的α 淀粉酶，最适温度在60℃左右，所以实验中的催化反应需要置于60℃水浴锅中进行。 在实验中有些学生会提出疑问：“每种酶都有最适温度， 在该温度下酶活性最强、催化效率最高。然而从植物中提取的α 淀粉酶的最适温度却高达60℃，原因是什么？ 酶的最适温度由哪些因素决定？ ”这是一个非常好的问题， 有助于帮助学生更深刻地理解酶的结构和最适温度的原理。如果没有学生提问，教师亦可“抛出”该问题，引导学生思考。

通过课堂上的学习， 学生了解到随着温度的增加，酶促反应速率加快，当超过某一温度时，由于酶逐渐变性，催化活性下降。由于教材难度和篇幅所限，该部分不要求学生掌握太深，但从科学概念的严谨性来看，显然是不够严谨的。因为导致酶催化活性下降的因素是酶蛋白逐渐变性失活，而导致蛋白质变性的因素有很多， 除温度外还有作用时间、pH 等多种因素，所以“最适温度”并不是酶的特征物理常数， 是受多种因素影响的综合结果。 当温度逐渐上升，与一般化学反应相同，酶促反应加快。 但随着温度进一步升高，酶逐渐变性，催化速率降低抵消了升温的效果， 导致反应速率下降。所以理论上温度越高催化反应越快，而酶空间结构的热稳定性决定了最适温度的大概范围。同时，由于酶变性是随时间累加的，所以通常情况下反应时间短，最适温度高；反应时间长，最适温度就低［1］。 所以，从该角度分析，α 淀粉酶的空间结构决定了其热稳定性较高， 在60℃仍未变性，因而获得了更高的催化效率。实际上，通常情况下植物细胞内的酶热稳定性略高， 其最适温度在45～60℃之间； 动物体内的酶热稳定性略低，在37～50℃［3］。

在实际教学过程中，教师可让学生课下查阅资料，课上从活化能、酶空间结构等方面讨论和分析，并逐步总结。 整个过程有助于学生对酶空间结构、催化本质、最适温度等概念的理解，同时也使学生认识到自然界中的酶并不一定在最适温度下发挥催化作用，高温通常伴随着水分的蒸发，不利于植物生长，甚至对植物是致命的。 所以酶最适温度的本质其实是反映酶空间结构热稳定性的特征。

2.2 口腔上皮细胞对水的通透性研究 在“质壁分离和复原”的实验中，滴加高渗溶液后的洋葱鳞片叶外表皮迅速失水，原生质皱缩，紫色加深；用清水引流后，原生质逐渐复原，紫色重新变浅。 由此证明原生质层相当于一层半透膜， 水通过原生质层自由扩散，由低渗向高渗流动。洋葱鳞片叶内表皮细胞和黑藻细胞都能出现明显的质壁分离和复原。 实验完成后，有学生与教师课下交流，认为“该实验只说明植物细胞通过水的扩散实现渗透吸水和失水，未涉及动物细胞，从实验取材方面不够严谨；按照实验原理，预测动物细胞在高渗溶液中也会迅速出现皱缩、在清水中会迅速涨破”。 为此， 该学生选取最易获得的口腔上皮细胞完成相关实验。为避免染色剂对实验的影响，在实验过程中未使用任何染色剂， 实验证明未经染色在显微镜下同样可清晰观察到口腔上皮细胞。

实验1：将刚刮取的细胞置于清水中，制成临时装片， 在高倍镜下观察10 min， 未观察到涨破现象；重复实验，时间延长至20 min（期间需要不断滴加清水引流， 避免临时装片水分蒸发流失），仍未观察到涨破现象。笔者将时间继续延长至2 h。从1 h 开始， 逐步观察到个别涨破的细胞，2 h 后可观察到部分细胞涨破。

实验2： 将刚刮取的细胞置于9% NaCl 高渗溶液中，制成临时装片观察。 2 h 内未观察到细胞发生明显的皱缩现象。

实验现象与预期明显不符。 通过查阅资料可知，水进出细胞的方式除自由扩散外，还依赖于一类载体蛋白——被称为水通道或水孔蛋白的协助，即协助扩散。 水通道广泛存在于动物、植物和微生物细胞的膜上， 水通道的种类和数目是不同细胞对水的通透率不同的主要原因［4］。 对某些组织来说，例如肾小管细胞对水的重吸收、唾液和眼泪的形成等， 水分子就必须借助质膜上的大量水通道以实现快速跨膜转运［5］。 水分子以自由扩散的方式进出细胞的速率是比较缓慢的， 所以水分子进出细胞主要通过水通道实现［6］。 1991年Agre将水通道（CHIP28）整合到蛙卵细胞膜上，并将其置于高渗溶液中，蛙卵细胞迅速膨胀至破裂，而没有整合水通道的细胞几乎无变化［7］。

所以可对以上实验现象进行初步推测。 由于植物液泡膜上存在大量水通道［4］，所以植物细胞渗透吸水和失水的速率非常快。 口腔上皮细胞属于鳞状被覆上皮组织，主要起保护作用，推测水通道很少（未查阅具体研究数据），导致水分子进出细胞的速率较慢， 故较长时间才观察到细胞涨破现象。同时由于细胞质基质呈胶体状态，该推测是否正确需进一步查阅更多文献资料证实。 教师在实际教学中， 对于动物细胞渗透吸水和失水常以红细胞为例。 实际上，水通道就是Agre 在1989年提纯红细胞RH 蛋白时意外发现的。 红细胞膜上存在多种水通道，所以极易出现渗透吸水和失水。种类丰富的水通道与红细胞对水的通透性和小分子气体交换密切相关［8］。

由于实验室条件有限， 有些推测无法设计实验进行论证，需进一步查阅相关资料求证。可以肯定的是，基于实验的教学是一种个性化、主体化的教学模式，具有浓重的启发性、批判性、反思性等特征， 是培养学生科学性思维习惯的有效教学策略。 当下许多中学生物学教学，由于客观条件、教师素质或课时的限制，对实验的开展极不重视，认为是可有可无的一件事，考试成绩才是第1 位的。殊不知， 生物学教学中离开实验谈理论是空洞和无趣的，教师讲得无论多精彩，由于没有直观的体验，学生与知识的相遇常是被动的。这种被动式的教学方式直接导致的结果， 便是学生认为生物学科的学习是死记硬背、毫无乐趣的［9］。在实际教学过程中，实验教学与情境教学相结合，例如“探究可溶性淀粉是否具有还原性”的实验，教师可在课堂上将问题抛出， 引导学生独自分析研究事件，提出解决方案， 在师生、 生生相互批判中反思、调整，最终由学生自己得出结论，实现将传统的“教师讲，学生学”的模式转变为“教师引导，学生自主研究”模式。