在真实的探究中提升科学探究能力

摘 要：本文以“还原糖的检测与观察”的实验设计为例，简述了不断发现问题并通过探究性实验获得解释的过程，阐述真实的探究过程是科学探究能力提升的有效途径。

关键词：科学探究；能力提升；还原糖

文章编号：1003-7586（2024）07-0051-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）将科学探究能力纳入生物学学科核心素养之内。科学探究能力是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果进行交流与讨论的能力。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称《义教课标》）将科学探究归属于探究实践，并指出探究实践是源于对自然界的好奇心、求知欲和现实需求，是解决真实情境中的问题或完成实践项目的能力与品格。可见，无论是《课程标准》还是《义教课标》，对科学探究的定义均使用“现实世界”或“真实情境”等表述，均认同科学探究是发现并解决生物学问题的真实活动过程。

生物学教育的首要任务是提升学生的生物学学科核心素养，帮助其走出校园后更好地生活。因此，提升学生的科学探究能力也是中学生物学教育的核心任务之一。科学探究是人类获取新知、改变生活方式最有效的手段，其既是科学家通过证据了解自然界并做出解释的方法，也是学生在学习中解决具体问题的过程。本文以“还原糖的检测与观察”实验的探究为例，阐述进行真实探究是提升科学探究能力的有效途径。

1 “还原糖的检测与观察”实验真实的探究历程

“还原糖的检测与观察”是人教版普通高中教科书《生物学·必修1·分子与细胞》（以下简称“教材”）中的第一个实验。依据教材提供的实验信息，若用梨汁为组织样液进行实验可以发现：向加入了2mL梨汁的试管内注入1mL斐林试剂后，混合液呈蓝色，经50～65℃水浴加热后混合液很快转变为橙黄色，并出现砖红色浑浊沉淀物，静置后，试管内的上清液呈褐色，沉淀往往呈暗红色。为何上清液呈褐色？高纯度的氧化亚铜（Cu2O）溶液呈现什么颜色？以上问题往往会出现在真实的实验教学中。

1.1 “还原糖的检测与观察”定性实验定量化的真实探究

人教版义务教育教科书《化学·九年级·下册》（以下简称“初中化学教材”）编排了“葡萄糖的检验”实验：①在试管中加入2mL 10%的氢氧化钠（NaOH）溶液，滴加5%的硫酸铜（CuSO₄）溶液4～5滴，混合均匀，能够生成蓝色的氢氧化铜［Cu（OH）2］；②向上述试管中滴加10%的葡萄糖溶液，并在酒精灯上加热至沸，一段时间后生成红色的Cu2O沉淀。经对比发现，两个实验都是基于还原糖将Cu（OH）2还原成Cu2O的原理，但试剂用量、加热方式以及对Cu2O颜色的描述有所差异。

初中化学教材大致限定了NaOH溶液、CuSO4溶液的用量，但对于葡萄糖（C₆H₁₂O₆）溶液的用量描述较为模糊。假设5%的CuSO₄溶液滴加量为4mL，根据反应式：2NaOH+CuSO₄Cu（OH）₂↓+Na₂SO₄C₆H₁₂O₆＋2Cu（OH）2△CH₂OH（CHOH）₄COOH＋Cu₂O↓＋2H₂O计算出约消耗1.14mL浓度为10%的葡萄糖溶液时接近恰好完全反应。实际操作中，滴加1mL的葡萄糖溶液的试管经加热反应后并静置，上清液无色透明、沉淀呈鲜红色并含少许的淡蓝色杂质；滴加2mL的试管反应后并静置，上清液浅褐色透明、沉淀暗红色，且淡蓝色杂质不可见。这说明滴加5%葡萄糖溶液用量CuSO₄溶液4mL时，1mL的葡萄糖溶液用量略少，2mL的葡萄糖溶液用量偏多。此外，还可判断出鲜红色物质是高纯度的Cu₂O，而淡蓝色杂质的出现与CuSO₄溶液用量过多有关。［1］

由此笔者提出问题：能否应用上述定量化的实验方法估测梨、西瓜、葡萄、甘蔗等常见食材中还原糖的含量？红瓤西瓜富含色素，会对检测产生干扰，不宜用作还原糖的检测材料。

笔者先前探究将西瓜的红色瓜瓤汁吸附过滤后得到无色瓜瓤汁，用电子天平、容量瓶等仪器精确配制0.05g／mL的CuSO₄溶液，利用微量移液器等器材，计算出所选西瓜汁中还原糖含量为0.084g／mL。［2］

1.2 问题在相关真实的探究后获得解释

笔者观察发现：以梨汁为组织样液，依据教材指导的试剂用量进行实验，添加试剂并振荡摇匀，实验现象的呈现更加迅速、准确且清晰，若干次定量化实验均发现：还原糖的用量越多，加热后蓝色混合液变为橙黄色的时间越短，静置后试管内上清液呈现的褐色越深，红色沉淀也越暗。

教材指导的斐林试剂用量为1mL，其中约0.5mL是浓度为0.05g／mL的CuSO4溶液，若以梨汁为实验对象检测其中的还原糖，估算接近完全反应时的梨汁用量约为0.16mL左右。教材指导组织样液的用量为2mL，相当于梨汁1mL左右的用量 。还原糖在稀酸中较为稳定，但在强碱中易发生氧化还原反应及复杂的羟醛缩合反应。静置后上清液呈现的褐色物质正是过剩的还原糖在碱性条件下受热产生的。在此过程中，形成的褐色物质掩盖了高纯度的鲜红色Cu2O沉淀，使其呈现暗红色。

实验还发现50～65℃水浴加热与酒精灯直接加热至沸，试管内最终颜色无明显差异，但温度的快速升高会加快反应速率。此外，还原糖的用量相对过量时，实验结束后的试管经过自来水简单冲洗，可见管壁附着有红色金属光泽的物质，因此推测该物质是金属铜。

1.3 “科学探究”能力在相关真实的探究过程中获得提升

上文介绍了依据教材指导进行的“还原糖的检测与观察”实验，所得的沉淀多呈现暗红色。进一步探究高纯度Cu₂O的呈现颜色得出结论，反应的中间产物Cu（OH）₂的产量与葡萄糖溶液的用量越是接近恰好完全反应，所得的Cu₂O纯度越高，呈现的红色越鲜艳。笔者参照定量检测的方法进行拓展或改进，不仅估测了梨汁及葡萄汁中的还原糖含量，还探究了其他食材作为实验组织样液的可能。针对部分教师主观地认为西瓜不宜用作还原糖的检测的现状，以事实表明西瓜汁液丰富、易制取、吸附过滤后的汁液无色透明、久置不易变色，是还原糖检测实验的优秀材料。针对部分教师对斐林试剂能否用于检测甘蔗汁中还原糖的疑惑，以证据表明甘蔗汁中的还原糖可检可测；对实验过程中会产生褐色物质等现象，也做出了合理解释。探究过程中也会产生新的问题。例如，CuSO₄溶液过量时，混在鲜红色沉淀中的少许淡蓝色物质是Cu（OH）₂还是葡萄糖酸铜？对于富含花青素的火龙果等材料，如何排除水溶性色素的干扰？甘蔗汁中含有哪些种类的还原糖？除了还原糖外，果汁中是否还有其他物质能够还原Cu（OH）₂？这些问题仍有进一步探究的空间。

在“还原糖的检测与观察”实验中发现问题并获得解释，以及新问题的再发现、再探究历程，使得笔者进一步熟悉科学探究的程序，理解科学探究的过程必须尊重事实和证据、推理逻辑必须缜密、结论必须经得起反复检验，感悟科学探究是科学的基本特征。总之，科学探究能力需要在真实的探究过程中不断获得提升。

2 真实的探究是提升“科学探究”能力最为有效的途径

当下，仍有部分中学教师受惯性思维的影响，认为生物学学科只需要记忆知识点就能取得好成绩；只要考取好成绩就能说明学生的生物学学科核心素养得到落实，科学探究能力得到了提升，这种思维对学生的发展和培养往往是不利的。因此，教学中通常以教师的讲授代替学生的探究，且以刷题代替探究的现象依然存在。单一的讲授教学模式，学生通常无法直接观察到具体的事物和现象，不易引发感性认知，从而难以激发学生的学习兴趣。

通过一系列的“还原糖的检测与观察”探究实验，笔者体会到自身科学探究能力在真实的探究中不断提升，真实的探究是提升科学探究能力最有效的途径。例如，笔者讲座采用真实的“还原糖的检测与观察”实验视频、图片等素材，启发教师们积极思考与交流；与师生一起尝试制备高纯度的Cu2O，观察实验结果；创造机会吸引教师们积极参与实践，体验问题解决的真实探究历程。这些尝试都激发了参与者的兴趣，促进他们体验科学探究的过程，认识到跨学科实践能够拓宽视野，体会到改进后的实验设计不仅节约经费，还使实验更加安全、便捷；定性实验定量化有利于学生在试剂用量的变化中了解还原糖与Cu（OH）2反应的原理，深入理解已学知识，在真实的探究过程中提升科学探究能力。

针对“教师在中学生物学教学中如何开展真实探究”的问题，笔者认为，开展真实探究首先要围绕教材设计的实验和探究活动进行。在真实的探究过程中遇到的问题更易激发师生的好奇心和求知欲，提出假说、设计方案、实验、推理等真实探究历程正是提升科学探究能力的过程。其次，要在自然界中进行观察，关注生产和生活实践。自然界中真实多样的生命现象不仅利于师生发现科学问题，而且利于师生对生命科学保持好奇心；生产、生活实践中常见的生物学问题属于真实情境下的探究问题。对这些问题的解释过程也是科学探究能力提升的过程。

综上所述，尽管探究过程中会出现新的问题，但科学探究能力能够在这些解决新问题的过程中不断提升。如何改变当下探究理念尚未充分转化为教师的课堂教学行为的现状，从而切实有效地提升学生的生物学学科核心素养，仍是需要继续改进和探索。

参考文献

［1］王霞.葡萄糖的检验中试剂用量及相关探讨［J］.化学教与学，2012（6）：97+70．

［2］汪兴泽，华溢.西瓜中还原糖检测及含量的估测［J］.生物学通报，2019，54（12）：49-51．