基于质疑思想的探究实验教学设计——食物酸碱性与酸碱体质研究

曹 葵 林 静 杨晓玲 赵 慧

中国人民大学附属中学(100080) 人大附中深圳学校(518119)

1 问题的提出

在高中课标中已经明确提出化学学科的核心素养包括：宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任。其中,在科学探究与创新意识中,特别强调了“运用化学实验进行实验探究，敢于质疑，勇于创新”，在科学态度与社会责任中则强调“具有探索未知、崇尚真理的意识，能对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断”。

在现实生活中，有关化学的热点事件不断出现。最近爆出曾经广为人知的酸碱体质理论与癌症的关系被否定，2018年11月2日，酸碱体质理论创始人Robert. O. Young因欺诈被圣地亚哥陪审团判罚1.05亿美金(约7亿人民币)。

酸碱食品说存在了很长时间，并且在中学课本中也有一定篇幅的表述。酸碱体质说是个热点问题，很多人将其视作真理。而关于食品酸碱性与酸碱体质的文章一直不断出现在各类报刊上，其中不乏观点相互冲突。

在传统的教学环境中，学生往往处于被动接受唯一正确知识的环境中，缺少对复杂问题的独立分析与判断训练，因此酸碱食品与酸碱体质的问题正是一个让学生学习探究、敢于质疑、追求真理的好课题。近几年来，笔者一直将食物酸碱性实验作为一个引导学生敢于质疑，勇于实践的教学课题。这个教学课题可以综合多项基本实验技能。

2 问题引入 引发思考

课题从人教版选修1“化学与生活”教材中引入，化学课本中用了几页的篇幅介绍了食物的酸碱性。教师首先问题导入，在饮食方面，我们喜欢酸甜爽口的食物，对有酸味的食物似乎比较偏爱，如水果、可乐、苹果醋等，这是因为水果中含有各种果酸，可乐中含有磷酸，苹果醋里含有醋酸，而有些食物具有苦涩的味道，多数人不能接受。那是不是有酸味的物质就一定是酸性食物呢？人们区分酸碱食物的标准是什么？什么才是酸性食物和碱性食物？

学生可以从课本上很容易地发现答案——“食物的酸碱性与化学上说的溶液酸碱性不同，它是按食物在体内代谢最终产物的性质来区分的。生理上称为酸性食品的是指在人体内代谢后形成酸根离子的物质，而碱性食物是指在人体内代谢后形成金属阳离子的物质。”从而很容易判断出酸味食物不一定就是酸性食品。

教师进而追问“食品酸碱性为什么和人们最初品尝的味道有那么大差异？”

食品酸碱性实际是生理酸碱性，不是简单的食品化学酸碱性。食物的生理酸碱性与表观酸碱性往往不相同，如苹果、话梅，表观呈酸性，却呈生理碱性。大部分动物性食物，如鸡鸭鱼肉类等属酸性食物，而植物性食品中，除五谷、杂粮、豆类外，多半为碱性食物，不过也有少数例外，例如：李子因其所含的有机酸人体不能代谢，所以会留在体内呈现酸性反应。中国有句俗语叫做“桃饱人、杏伤人，李子树下埋死人”，也许就是这个原因。

而后教师继续问：“有谁知道酸碱体质的说法？”

还真的有很多学生知道酸碱体质的说法，你一言我一语很快就把酸碱体质的一些观点补充完全。

教师提出了本节课最终的问题：“能否设计一个实验，通过实验检验食品酸碱性是否影响身体的酸碱性？”

3 问题解构 创新解决

发现问题之后就必须要解决问题。教师提出问题后给学生几分钟思考讨论时间。这个问题实际需要拆分为几个问题，第一个是如何通过化学实验模拟酸碱食品代谢的结果。第二个是如何模拟人体环境。第三个才是酸碱食品对体液的酸碱度影响。

如果要模拟代谢结果就需要从定义出发，食品酸碱性是食物经过人体代谢之后，各种营养物质被吸收之后剩余物质的酸碱性，代谢的过程基本就是人体吸收利用有机能量的过程，而酸碱性就是依靠剩余的无机盐来体现出来。实验设计的难点在于用什么办法来模拟代谢。

很多同学的实验设计会将重点放在将无机盐溶出上，设计时大多会采用水煮的方法，然而这个方法存在很大的问题，就是食品中的无机盐大多数并不是直接以无机盐形态存在，而更多地是以有机酸盐形式存在，因此水煮溶出的方法是不可行的。

此时就需要换一个路径进行思考。既然不能将无机盐溶出，那能否将有机物去除呢？传统的教学中，我们给学生的认知是去除杂质时杂质是少量的，有用的物质是多数，而现在的情况完全相反，无机盐含量非常之少，而有机物含量非常多，因此大多数学生都不敢往这个方向想。

3.1 如何模拟代谢结果

创新不是说说就可以，它不仅仅是方法和技术上的创新，更需要思维上的创新。

从不同角度思考，代谢就是消化有机物的过程，模拟代谢就应该是消耗掉有机物的过程，而消耗有机物最简单的方法就是燃烧。

以家里做饭烧糊的经历为例，烧糊的过程可以理解为一个燃烧有机物的过程，只不过烧糊仅仅将有机物中的氢氧元素脱去，剩下了碳单质。如果烧糊的食品继续加热会怎么样？会不会完全烧到什么都没有？

当然不会，因为无机盐不会通过灼烧消失，而剩下的这些无机盐灰分就相当于代谢的最终产物。

而燃烧虽然快速，但是强烈的气体对流会让燃烧剩余的无机物随着气流而消失，要研究解决这个难题就要控制燃烧的速度。燃烧有3个条件：可燃物、助燃的空气和温度，而解决的方法就必然从可燃物和空气上着手。

因此，控制可燃物和空气的量这两个条件是比较可行的方案，也就是让可燃物数量尽量少，同时控制空气流入量。具体操作就是灼烧样品的时候，盛放样品的坩埚要用坩埚盖盖住一半，从而达到避免剧烈燃烧的结果。

此时产生了新的问题，因为控制空气流入量，燃烧过程中没有火焰，燃烧到什么程度才算完成，这是一个难题。

此时就需要联系到初三化学教学中一个重要概念，什么物质燃烧发光，什么物质燃烧有火焰？学生们就会想到初三教学一再强调气体燃烧有火焰，固体只能发光，同时结合碳和氧气反应时的情况：质量好的碳就会发出白光，而质量不好的碳就会有火焰。由此推断，只要实验样品碳化后，即使有充足氧气，也不会有火焰。

为了保证碳化与灰化时火焰控制能够满足实验要求，对加热的条件就需要进行必要的控制，而火焰的温度这个条件其实最不易控制，同一个酒精灯如何控制加热温度？虽然酒精灯火焰有外焰内焰之分，但是很难完全使用内焰加热，要想控制好加热温度，最简单的方法是控制加热的部位。如图1所示，样品放在坩埚底部，加热时只要适当偏离样品放置的位置，就可以使有效温度下降。如图1(a)所示的位置，如果正常加热，则仅仅需要将酒精灯略微移动到图1(b)的位置即可。

实验中，我们还可以通过控制坩埚盖的方法调整空气量，开始加热时坩埚盖如图1所示倾斜放置，这样就可以控制空气进入的量，保证食品第一步碳化时不会出现剧烈燃烧，而进入到第二步灰化。食品灰化过程示意图如图2所示。

图2 食品样本灰化过程示意图

3.2 如何模拟人体环境

人体血液环境的pH值基本维持在7.35～7.45之间，是一个巨大、完整的缓冲体系。要模拟这个缓冲体系不是简单地用氢氧化钠溶解配制一个pH在7.35～7.45之间的溶液就可以的，需要了解人体环境的大致情况，而这属于生物课的范畴，让学生自行查找相关材料，掌握有关知识。在了解有关的知识后，学生认识到就是配一份符合人体体液要求的缓冲溶液，而配方也由学生自己从网络上查找。

人体体液大约占体重的60%，一个学生体重按照50 kg计，体液也有30 kg，要想模拟真实情景，就要按照相同的比例进行实验。为了符合实验室条件，配制的缓冲溶液为100 mL，而后用pH计测定该溶液的pH值。

在选择称取样品质量的问题上，毕竟每个人的食量不同，为了更有说服力，按照平衡膳食宝塔提供的食物总量，人体一天摄入的食量大约为1.5 kg，为了和模拟体液比例相同，同比例缩减为5 g，同时为了突出对比，分别取5 g菠菜和鸡肉进行对比试验。

3.3 实际操作，呈现真相

按照前面讨论推导出的实验方法，用菠菜和鸡肉两种样品分别实验。

菠菜、鸡肉样品首先用pH计测定均为中性。灰化的过程首先是碳化，也就是样品先脱水，被烧成碳，在这个过程中会伴随较多的烟；碳化后，坩埚中的碳就开始灰化，会看到黑色的碳发红，最后逐渐都变为白色灰烬；然后将灰化之后的灰分用少量蒸馏水溶解、过滤，测定所得滤液的pH值，其中菠菜pH在9～10之间，鸡肉pH在4～5之间，符合预期。最后将得到的滤液加入配好的缓冲溶液中，再用pH计测定pH值，发现模拟体液pH没有任何变化。

实验中使用了极端的情况，但是体液环境依然没有变化，人体缓冲环境经受住了一次严峻考验。

3.4 课后思考，不忘质疑

课后给学生留了一道思考题，查阅文献，给出人体摄入酸性食品和碱性食品的大致比例应该是多少？

这个题目看起来很简单，没有什么技术含量。然而在实际查阅文献的过程中，学生就会发现，不同的文献给出的结果各不相同。酸碱搭配比例有1∶2、1∶3、1∶4，不一而足，而面对这么多不同答案时，已经习惯于只有唯一正确答案的学生就显得无所适从了。面对这样的情况，一些学生随意抄上一个数据完成作业，也有的将不同数据罗列出来。

然而问题的本质并不是这几个数据，而是在于数据的不一致。一个严密的科学理论，必然会经过千百人的研究分析，得出一个规律，其表达方式可能是定律、可能是公式，也可能就是一个常数，而如此多不同的答案就不正常了。可能会说，可以认为是1∶2～1∶4之间，而3个文献分别给出1∶2、1∶3、1∶4，这与1∶2～1∶4之间是两个截然不同的概念，也就是1个答案与3个答案的差别。这也反映出现在酸碱食品学说还存在很多问题，遗憾的是没有一个学生能指出这组数据之间的差异。

4 反思与总结

在传统的教学过程中，学生已经习惯于一切正确的知识，而忽略复杂信息的处理。面对一个学说，更多的是盲从。我们的教育中一直没有落实批判性思维的培养。

批判性思维是面对相信什么或者做什么而做出合理决定的能力。酸碱食品说，酸碱体质说，酸碱食品摄入比例，面对不同的说法哪个是合理科学的？这需要我们具有批判的能力，而判断的过程就是批判性思维的过程。批判性思维是一种专门的思维方式，其目的无外乎是判断事物，事情的对错并做出更好的决策。学生非常习惯性地先入为主，而不是利用已有的知识和技能进行分析判断，在过去的培养过程中，教师过多注重陈述性知识，忽略程序性知识和策略性知识，而只有在策略性知识的指引下，陈述性知识和程序性知识才能被加以有效利用。

教学的过程往往要设定一个预定目标，并按计划进行。而学生批判性思维的培养并不是能够按照计划培养的，需要更多地创设条件，让学生在实践中体验，逐步发散批判性思维。教育不是一个可以被预见的计划，也不是一个实体的目标，而是在于每个教育行为生成的过程中。

在研究食品酸碱性是否影响身体的酸碱性的课题中，教师就是引领学生进入一个真实情景，从生活中的具体问题出发，利用已知的知识技能，通过实验手段，逐步展开讨论，带领学生进入一个批判性的环境中。

学习过程不是单方面的灌输而是激发学生的质疑和思考，活跃思维。用学生自己的力量解决问题。正如怀特海所讲：教育的全部目的在于活跃人的思维。