張 旭 林宇辰

（ 北京市第四中學(xué) 北京 100034）

實(shí)驗(yàn)是科學(xué)之基石， 是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的重要手段。生物學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，所有知識(shí)來自于前人基于實(shí)驗(yàn)的總結(jié)和論證， 對(duì)于未知領(lǐng)域的探索同樣離不開科學(xué)、 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)分析。在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中，將知識(shí)帶入特定的情境中，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、分析和論證，逐步總結(jié)歸納，不僅有助于學(xué)生加深知識(shí)在頭腦中的印象，理解知識(shí)的內(nèi)涵， 更有助于其在學(xué)習(xí)的過程中逐步培養(yǎng)科學(xué)思維習(xí)慣，獲得情感、態(tài)度和價(jià)值認(rèn)同。

教材中的實(shí)驗(yàn)， 無論是探究性的還是驗(yàn)證性的，都與教材符號(hào)化知識(shí)相呼應(yīng)。將知識(shí)的產(chǎn)生置于特定情境中， 學(xué)生可在積極的參與過程中反復(fù)進(jìn)行“假設(shè)—論證”的批判性學(xué)習(xí)。 然而，在具體實(shí)驗(yàn)過程中，由于受多種因素的影響，不是每次實(shí)驗(yàn)都與預(yù)期完全符合，例如“驗(yàn)證酶的專一性”實(shí)驗(yàn)中空白對(duì)照組： 淀粉液與斐林試劑也會(huì)出現(xiàn)顏色變化；即使結(jié)果與預(yù)期相同，許多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中也會(huì)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(dá)60℃、依據(jù)滲透作用的原理口腔上皮細(xì)胞是否也立即出現(xiàn)滲透吸水和滲透失水等。 這些在實(shí)驗(yàn)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(jī)，引導(dǎo)學(xué)生通過分析問題、查閱資料，提出假設(shè)，創(chuàng)造條件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)論證。 以下為筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生分析和解決問題的幾個(gè)案例。

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期不符時(shí)的思考——“驗(yàn)證酶的專一性”實(shí)驗(yàn)

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(yù)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(cè)出現(xiàn)磚紅色沉淀。

3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：淀粉溶液在還原性糖的檢測(cè)中出現(xiàn)顏色變化（表1）。

表1 淀粉溶液的還原性檢測(cè)

作為該實(shí)驗(yàn)的空白對(duì)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(yīng)無顏色變化， 由此證明出現(xiàn)顏色的變化是相應(yīng)的酶催化的結(jié)果。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，蔗糖溶液在還原性糖的檢測(cè)中無顏色變化，與預(yù)期相同，但淀粉溶液卻出現(xiàn)明顯紅色，與預(yù)期不符。排除人為因素導(dǎo)致的錯(cuò)誤操作，重復(fù)實(shí)驗(yàn)后結(jié)果仍與之前一致。教師在課上將問題呈現(xiàn)， 動(dòng)員學(xué)生思考引起這一現(xiàn)象的原因，課下查閱資料，提出個(gè)人見解，并盡可能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。

學(xué)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(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生還原性糖；④實(shí)驗(yàn)中所用的淀粉溶液具有一定還原性。

教師組織學(xué)生分析、討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)論證4 種解釋。

1）關(guān)于假設(shè)1：可用新配的淀粉溶液重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同上，排除雜菌污染導(dǎo)致變色。

2）關(guān)于假設(shè)2：該實(shí)驗(yàn)所用的淀粉溶液來自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司生產(chǎn)的“分析純AR 500 g”可溶性淀粉，合格指標(biāo)中含有“還原費(fèi)林試劑物質(zhì)≤0.7%”一項(xiàng)，即淀粉溶液可能含有少量還原性糖，假設(shè)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分離可溶性糖。取5g 可溶性淀粉置于100 mL 20℃蒸餾水中，充分?jǐn)嚢栊纬傻矸蹜覞嵋海?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(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)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(fù)3 次，取淀粉沉淀進(jìn)行還原性糖檢測(cè)，仍出現(xiàn)黃色沉淀，故可排除解釋假設(shè)2，即實(shí)驗(yàn)中淀粉可能混有的還原性糖不是導(dǎo)致淀粉溶液變色的原因。

3）關(guān)于假設(shè)3：通過查閱《生物化學(xué)》后得知，“淀粉在水中加熱時(shí)， 淀粉粒吸水膨脹并發(fā)生破裂， 淀粉分子在水中失去結(jié)晶態(tài)， 同時(shí)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(xué)性質(zhì)存在明顯差異，當(dāng)冷卻并長(zhǎng)期放置時(shí)，直鏈淀粉分子會(huì)借助氫鍵重新結(jié)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(shí)不出現(xiàn)沉淀”［1］?？梢姷矸墼诩訜釛l件下并未發(fā)生共價(jià)鍵的斷裂。淀粉發(fā)生水解需要在特定的條件下進(jìn)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(yàn)證該理論的正確性， 筆者采用更換實(shí)驗(yàn)材料的方法重復(fù)該實(shí)驗(yàn)， 選取市售紅薯淀粉進(jìn)行還原性糖檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)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(huì)發(fā)生化學(xué)變化產(chǎn)生還原性糖，假設(shè)3 被排除。

4）關(guān)于假設(shè)4：分析用可溶性淀粉與市售紅薯淀粉在還原性糖的檢測(cè)中結(jié)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(xué)生一同查閱文獻(xiàn)和專業(yè)教材尋找答案。 《生物化學(xué)》中提到“實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(diǎn)存在α-1，6 糖苷鍵連接，支鏈淀粉具有多個(gè)非還原端，但只有一個(gè)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(cè)。當(dāng)?shù)矸鄯肿颖幻附夂退峄夂?，較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(yīng)，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(cè)中出現(xiàn)顏色變化的原因。 所以假設(shè)4 成立，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度相當(dāng)于13.5 μg/mL 葡萄糖［2］。

所以， 對(duì)于淀粉的還原性問題， 不能一概而論。當(dāng)?shù)矸鄯肿颖凰獬奢^小、較多直鏈淀粉的可溶性淀粉時(shí)，具有一定的還原性，能與斐林試劑發(fā)生顯色反應(yīng)，因此，將其應(yīng)用在“探究酶的專一性”實(shí)驗(yàn)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(dāng)其被淀粉酶水解后產(chǎn)生還原性糖， 與斐林試劑反應(yīng)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(shí)驗(yàn)。

2 由實(shí)驗(yàn)引發(fā)的拓展性思考

2.1 關(guān)于酶最適溫度的思考 在“驗(yàn)證酶的專一性”實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的催化反應(yīng)需要置于60℃水浴鍋中進(jìn)行。 在實(shí)驗(yàn)中有些學(xué)生會(huì)提出疑問：“每種酶都有最適溫度， 在該溫度下酶活性最強(qiáng)、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(dá)60℃，原因是什么？ 酶的最適溫度由哪些因素決定？ ”這是一個(gè)非常好的問題， 有助于幫助學(xué)生更深刻地理解酶的結(jié)構(gòu)和最適溫度的原理。如果沒有學(xué)生提問，教師亦可“拋出”該問題，引導(dǎo)學(xué)生思考。

通過課堂上的學(xué)習(xí)， 學(xué)生了解到隨著溫度的增加，酶促反應(yīng)速率加快，當(dāng)超過某一溫度時(shí)，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(xué)生掌握太深，但從科學(xué)概念的嚴(yán)謹(jǐn)性來看，顯然是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。因?yàn)閷?dǎo)致酶催化活性下降的因素是酶蛋白逐漸變性失活，而導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性的因素有很多， 除溫度外還有作用時(shí)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(jié)果。 當(dāng)溫度逐漸上升，與一般化學(xué)反應(yīng)相同，酶促反應(yīng)加快。 但隨著溫度進(jìn)一步升高，酶逐漸變性，催化速率降低抵消了升溫的效果， 導(dǎo)致反應(yīng)速率下降。所以理論上溫度越高催化反應(yīng)越快，而酶空間結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性決定了最適溫度的大概范圍。同時(shí)，由于酶變性是隨時(shí)間累加的，所以通常情況下反應(yīng)時(shí)間短，最適溫度高；反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，最適溫度就低［1］。 所以，從該角度分析，α 淀粉酶的空間結(jié)構(gòu)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(shí)際上，通常情況下植物細(xì)胞內(nèi)的酶熱穩(wěn)定性略高， 其最適溫度在45～60℃之間； 動(dòng)物體內(nèi)的酶熱穩(wěn)定性略低，在37～50℃［3］。

在實(shí)際教學(xué)過程中，教師可讓學(xué)生課下查閱資料，課上從活化能、酶空間結(jié)構(gòu)等方面討論和分析，并逐步總結(jié)。 整個(gè)過程有助于學(xué)生對(duì)酶空間結(jié)構(gòu)、催化本質(zhì)、最適溫度等概念的理解，同時(shí)也使學(xué)生認(rèn)識(shí)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(zhǎng)，甚至對(duì)植物是致命的。 所以酶最適溫度的本質(zhì)其實(shí)是反映酶空間結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的特征。

2.2 口腔上皮細(xì)胞對(duì)水的通透性研究 在“質(zhì)壁分離和復(fù)原”的實(shí)驗(yàn)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(fù)原，紫色重新變淺。 由此證明原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜， 水通過原生質(zhì)層自由擴(kuò)散，由低滲向高滲流動(dòng)。洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞和黑藻細(xì)胞都能出現(xiàn)明顯的質(zhì)壁分離和復(fù)原。 實(shí)驗(yàn)完成后，有學(xué)生與教師課下交流，認(rèn)為“該實(shí)驗(yàn)只說明植物細(xì)胞通過水的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)滲透吸水和失水，未涉及動(dòng)物細(xì)胞，從實(shí)驗(yàn)取材方面不夠嚴(yán)謹(jǐn)；按照實(shí)驗(yàn)原理，預(yù)測(cè)動(dòng)物細(xì)胞在高滲溶液中也會(huì)迅速出現(xiàn)皺縮、在清水中會(huì)迅速漲破”。 為此， 該學(xué)生選取最易獲得的口腔上皮細(xì)胞完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。為避免染色劑對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中未使用任何染色劑， 實(shí)驗(yàn)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(xì)胞。

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

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

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)期明顯不符。 通過查閱資料可知，水進(jìn)出細(xì)胞的方式除自由擴(kuò)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(kuò)散。 水通道廣泛存在于動(dòng)物、植物和微生物細(xì)胞的膜上， 水通道的種類和數(shù)目是不同細(xì)胞對(duì)水的通透率不同的主要原因［4］。 對(duì)某些組織來說，例如腎小管細(xì)胞對(duì)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(shí)現(xiàn)快速跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)［5］。 水分子以自由擴(kuò)散的方式進(jìn)出細(xì)胞的速率是比較緩慢的， 所以水分子進(jìn)出細(xì)胞主要通過水通道實(shí)現(xiàn)［6］。 1991年Agre將水通道（CHIP28）整合到蛙卵細(xì)胞膜上，并將其置于高滲溶液中，蛙卵細(xì)胞迅速膨脹至破裂，而沒有整合水通道的細(xì)胞幾乎無變化［7］。

所以可對(duì)以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行初步推測(cè)。 由于植物液泡膜上存在大量水通道［4］，所以植物細(xì)胞滲透吸水和失水的速率非常快。 口腔上皮細(xì)胞屬于鱗狀被覆上皮組織，主要起保護(hù)作用，推測(cè)水通道很少（未查閱具體研究數(shù)據(jù)），導(dǎo)致水分子進(jìn)出細(xì)胞的速率較慢， 故較長(zhǎng)時(shí)間才觀察到細(xì)胞漲破現(xiàn)象。同時(shí)由于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)呈膠體狀態(tài)，該推測(cè)是否正確需進(jìn)一步查閱更多文獻(xiàn)資料證實(shí)。 教師在實(shí)際教學(xué)中， 對(duì)于動(dòng)物細(xì)胞滲透吸水和失水常以紅細(xì)胞為例。 實(shí)際上，水通道就是Agre 在1989年提純紅細(xì)胞RH 蛋白時(shí)意外發(fā)現(xiàn)的。 紅細(xì)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(xì)胞對(duì)水的通透性和小分子氣體交換密切相關(guān)［8］。

由于實(shí)驗(yàn)室條件有限， 有些推測(cè)無法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證，需進(jìn)一步查閱相關(guān)資料求證。可以肯定的是，基于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)是一種個(gè)性化、主體化的教學(xué)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(xué)生科學(xué)性思維習(xí)慣的有效教學(xué)策略。 當(dāng)下許多中學(xué)生物學(xué)教學(xué)，由于客觀條件、教師素質(zhì)或課時(shí)的限制，對(duì)實(shí)驗(yàn)的開展極不重視，認(rèn)為是可有可無的一件事，考試成績(jī)才是第1 位的。殊不知， 生物學(xué)教學(xué)中離開實(shí)驗(yàn)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(yàn)，學(xué)生與知識(shí)的相遇常是被動(dòng)的。這種被動(dòng)式的教學(xué)方式直接導(dǎo)致的結(jié)果， 便是學(xué)生認(rèn)為生物學(xué)科的學(xué)習(xí)是死記硬背、毫無樂趣的［9］。在實(shí)際教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與情境教學(xué)相結(jié)合，例如“探究可溶性淀粉是否具有還原性”的實(shí)驗(yàn)，教師可在課堂上將問題拋出， 引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)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(xué)生自己得出結(jié)論，實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)的“教師講，學(xué)生學(xué)”的模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處熞龑?dǎo)，學(xué)生自主研究”模式。