在真實的探究中提升科學探究能力

摘 要：本文以“還原糖的檢測與觀察”的實驗設計為例，簡述了不斷發現問題并通過探究性實驗獲得解釋的過程，闡述真實的探究過程是科學探究能力提升的有效途徑。

關鍵詞：科學探究；能力提升；還原糖

文章編號：1003-7586（2024）07-0051-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）將科學探究能力納入生物學學科核心素養之內。科學探究能力是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果進行交流與討論的能力。《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《義教課標》）將科學探究歸屬于探究實踐，并指出探究實踐是源于對自然界的好奇心、求知欲和現實需求，是解決真實情境中的問題或完成實踐項目的能力與品格。可見，無論是《課程標準》還是《義教課標》，對科學探究的定義均使用“現實世界”或“真實情境”等表述，均認同科學探究是發現并解決生物學問題的真實活動過程。

生物學教育的首要任務是提升學生的生物學學科核心素養，幫助其走出校園后更好地生活。因此，提升學生的科學探究能力也是中學生物學教育的核心任務之一。科學探究是人類獲取新知、改變生活方式最有效的手段，其既是科學家通過證據了解自然界并做出解釋的方法，也是學生在學習中解決具體問題的過程。本文以“還原糖的檢測與觀察”實驗的探究為例，闡述進行真實探究是提升科學探究能力的有效途徑。

1 “還原糖的檢測與觀察”實驗真實的探究歷程

“還原糖的檢測與觀察”是人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》（以下簡稱“教材”）中的第一個實驗。依據教材提供的實驗信息，若用梨汁為組織樣液進行實驗可以發現：向加入了2mL梨汁的試管內注入1mL斐林試劑后，混合液呈藍色，經50～65℃水浴加熱后混合液很快轉變為橙黃色，并出現磚紅色渾濁沉淀物，靜置后，試管內的上清液呈褐色，沉淀往往呈暗紅色。為何上清液呈褐色？高純度的氧化亞銅（Cu2O）溶液呈現什么顏色？以上問題往往會出現在真實的實驗教學中。

1.1 “還原糖的檢測與觀察”定性實驗定量化的真實探究

人教版義務教育教科書《化學·九年級·下冊》（以下簡稱“初中化學教材”）編排了“葡萄糖的檢驗”實驗：①在試管中加入2mL 10%的氫氧化鈉（NaOH）溶液，滴加5%的硫酸銅（CuSO₄）溶液4～5滴，混合均勻，能夠生成藍色的氫氧化銅［Cu（OH）2］；②向上述試管中滴加10%的葡萄糖溶液，并在酒精燈上加熱至沸，一段時間后生成紅色的Cu2O沉淀。經對比發現，兩個實驗都是基于還原糖將Cu（OH）2還原成Cu2O的原理，但試劑用量、加熱方式以及對Cu2O顏色的描述有所差異。

初中化學教材大致限定了NaOH溶液、CuSO4溶液的用量，但對于葡萄糖（C₆H₁₂O₆）溶液的用量描述較為模糊。假設5%的CuSO₄溶液滴加量為4mL，根據反應式：2NaOH+CuSO₄Cu（OH）₂↓+Na₂SO₄C₆H₁₂O₆＋2Cu（OH）2△CH₂OH（CHOH）₄COOH＋Cu₂O↓＋2H₂O計算出約消耗1.14mL濃度為10%的葡萄糖溶液時接近恰好完全反應。實際操作中，滴加1mL的葡萄糖溶液的試管經加熱反應后并靜置，上清液無色透明、沉淀呈鮮紅色并含少許的淡藍色雜質；滴加2mL的試管反應后并靜置，上清液淺褐色透明、沉淀暗紅色，且淡藍色雜質不可見。這說明滴加5%葡萄糖溶液用量CuSO₄溶液4mL時，1mL的葡萄糖溶液用量略少，2mL的葡萄糖溶液用量偏多。此外，還可判斷出鮮紅色物質是高純度的Cu₂O，而淡藍色雜質的出現與CuSO₄溶液用量過多有關。［1］

由此筆者提出問題：能否應用上述定量化的實驗方法估測梨、西瓜、葡萄、甘蔗等常見食材中還原糖的含量？紅瓤西瓜富含色素，會對檢測產生干擾，不宜用作還原糖的檢測材料。

筆者先前探究將西瓜的紅色瓜瓤汁吸附過濾后得到無色瓜瓤汁，用電子天平、容量瓶等儀器精確配制0.05g／mL的CuSO₄溶液，利用微量移液器等器材，計算出所選西瓜汁中還原糖含量為0.084g／mL。［2］

1.2 問題在相關真實的探究后獲得解釋

筆者觀察發現：以梨汁為組織樣液，依據教材指導的試劑用量進行實驗，添加試劑并振蕩搖勻，實驗現象的呈現更加迅速、準確且清晰，若干次定量化實驗均發現：還原糖的用量越多，加熱后藍色混合液變為橙黃色的時間越短，靜置后試管內上清液呈現的褐色越深，紅色沉淀也越暗。

教材指導的斐林試劑用量為1mL，其中約0.5mL是濃度為0.05g／mL的CuSO4溶液，若以梨汁為實驗對象檢測其中的還原糖，估算接近完全反應時的梨汁用量約為0.16mL左右。教材指導組織樣液的用量為2mL，相當于梨汁1mL左右的用量 。還原糖在稀酸中較為穩定，但在強堿中易發生氧化還原反應及復雜的羥醛縮合反應。靜置后上清液呈現的褐色物質正是過剩的還原糖在堿性條件下受熱產生的。在此過程中，形成的褐色物質掩蓋了高純度的鮮紅色Cu2O沉淀，使其呈現暗紅色。

實驗還發現50～65℃水浴加熱與酒精燈直接加熱至沸，試管內最終顏色無明顯差異，但溫度的快速升高會加快反應速率。此外，還原糖的用量相對過量時，實驗結束后的試管經過自來水簡單沖洗，可見管壁附著有紅色金屬光澤的物質，因此推測該物質是金屬銅。

1.3 “科學探究”能力在相關真實的探究過程中獲得提升

上文介紹了依據教材指導進行的“還原糖的檢測與觀察”實驗，所得的沉淀多呈現暗紅色。進一步探究高純度Cu₂O的呈現顏色得出結論，反應的中間產物Cu（OH）₂的產量與葡萄糖溶液的用量越是接近恰好完全反應，所得的Cu₂O純度越高，呈現的紅色越鮮艷。筆者參照定量檢測的方法進行拓展或改進，不僅估測了梨汁及葡萄汁中的還原糖含量，還探究了其他食材作為實驗組織樣液的可能。針對部分教師主觀地認為西瓜不宜用作還原糖的檢測的現狀，以事實表明西瓜汁液豐富、易制取、吸附過濾后的汁液無色透明、久置不易變色，是還原糖檢測實驗的優秀材料。針對部分教師對斐林試劑能否用于檢測甘蔗汁中還原糖的疑惑，以證據表明甘蔗汁中的還原糖可檢可測；對實驗過程中會產生褐色物質等現象，也做出了合理解釋。探究過程中也會產生新的問題。例如，CuSO₄溶液過量時，混在鮮紅色沉淀中的少許淡藍色物質是Cu（OH）₂還是葡萄糖酸銅？對于富含花青素的火龍果等材料，如何排除水溶性色素的干擾？甘蔗汁中含有哪些種類的還原糖？除了還原糖外，果汁中是否還有其他物質能夠還原Cu（OH）₂？這些問題仍有進一步探究的空間。

在“還原糖的檢測與觀察”實驗中發現問題并獲得解釋，以及新問題的再發現、再探究歷程，使得筆者進一步熟悉科學探究的程序，理解科學探究的過程必須尊重事實和證據、推理邏輯必須縝密、結論必須經得起反復檢驗，感悟科學探究是科學的基本特征。總之，科學探究能力需要在真實的探究過程中不斷獲得提升。

2 真實的探究是提升“科學探究”能力最為有效的途徑

當下，仍有部分中學教師受慣性思維的影響，認為生物學學科只需要記憶知識點就能取得好成績；只要考取好成績就能說明學生的生物學學科核心素養得到落實，科學探究能力得到了提升，這種思維對學生的發展和培養往往是不利的。因此，教學中通常以教師的講授代替學生的探究，且以刷題代替探究的現象依然存在。單一的講授教學模式，學生通常無法直接觀察到具體的事物和現象，不易引發感性認知，從而難以激發學生的學習興趣。

通過一系列的“還原糖的檢測與觀察”探究實驗，筆者體會到自身科學探究能力在真實的探究中不斷提升，真實的探究是提升科學探究能力最有效的途徑。例如，筆者講座采用真實的“還原糖的檢測與觀察”實驗視頻、圖片等素材，啟發教師們積極思考與交流；與師生一起嘗試制備高純度的Cu2O，觀察實驗結果；創造機會吸引教師們積極參與實踐，體驗問題解決的真實探究歷程。這些嘗試都激發了參與者的興趣，促進他們體驗科學探究的過程，認識到跨學科實踐能夠拓寬視野，體會到改進后的實驗設計不僅節約經費，還使實驗更加安全、便捷；定性實驗定量化有利于學生在試劑用量的變化中了解還原糖與Cu（OH）2反應的原理，深入理解已學知識，在真實的探究過程中提升科學探究能力。

針對“教師在中學生物學教學中如何開展真實探究”的問題，筆者認為，開展真實探究首先要圍繞教材設計的實驗和探究活動進行。在真實的探究過程中遇到的問題更易激發師生的好奇心和求知欲，提出假說、設計方案、實驗、推理等真實探究歷程正是提升科學探究能力的過程。其次，要在自然界中進行觀察，關注生產和生活實踐。自然界中真實多樣的生命現象不僅利于師生發現科學問題，而且利于師生對生命科學保持好奇心；生產、生活實踐中常見的生物學問題屬于真實情境下的探究問題。對這些問題的解釋過程也是科學探究能力提升的過程。

綜上所述，盡管探究過程中會出現新的問題，但科學探究能力能夠在這些解決新問題的過程中不斷提升。如何改變當下探究理念尚未充分轉化為教師的課堂教學行為的現狀，從而切實有效地提升學生的生物學學科核心素養，仍是需要繼續改進和探索。

參考文獻

［1］王霞.葡萄糖的檢驗中試劑用量及相關探討［J］.化學教與學，2012（6）：97+70．

［2］汪興澤，華溢.西瓜中還原糖檢測及含量的估測［J］.生物學通報，2019，54（12）：49-51．