实验与培训丨本刊好文：指向科学思维发展的情境化探究实验设计——以“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”为例/郑珩艺等

“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质” 选自人教版高中生物学必修 1《分子与细胞》第 2 章第 1 节，作为高中阶段的一个入门实验，其被安排在系统学习“糖类、脂肪和蛋白质”的理论 知识之前。该实验为学生学习细胞内的有机物等相关知识奠定感性认识基础。传统实验课 堂将该实验作为简单的验证实验开展，仅通过教师理论讲授和学生实验验证完成实验教学，此类课堂无法有效激发学生的科学探究精神，也无法充分发展学生的科学思维。因此，笔者将此实验设计为探究性实验，并设置营养膳食相关情境，旨在为学生创造更加开放的实验环 境，让学生在问题驱动下进行自主探究，在探究过程中发展科学思维，树立实事求是的科学观 念，并用以回答和解决生活中的实际问题。

1）生命观念。通过探究不同生物材料中存在的多种营养物质，初步形成物质与能量观；通过分析实验结果，在分子水平上理解细胞的多样性 和统一性。

2）科学思维。通过对多种实验材料的鉴定和比较，掌握比较分析、归纳总结的科学思维方法；通过对营养膳食相关传言的质疑与分析，学会基于证据的论证，发展批判性思维和思辨思维。

3）科学探究。通过查阅、分析相关资料，了解相关物质鉴定的实验原理，掌握科学探究的一般思路和方法；通过对实验现象和实验过程的准确分析，完善实验方案，改进实验选材和相关操作。 

4）社会责任。科学看待生活中有关营养膳食的传言，认同健康饮食、平衡膳食的观点。

本次教学以学生的生活经验为出发点，引导学生对营养膳食的传言提出观点，不同观点碰撞产生理性质疑，随后驱动学生以小组为单位，分组展开自主探究学习。在探究过程中抓住契机引导学生再次生成问题、思考问题、解决问题，进而提高学生学科核心素养，打造有情境、有深度的实验课堂。 

生活中有许多关于营养膳食的传言，运用多媒体展示相关报道：1）越甜的水果，糖含量越高。2）1 个鹌鹑蛋的营养等同于 3 个鸡蛋。3）火龙果种子的含油量很高，与芝麻种子相同，也可以用来生产植物油。由此提出问题：你是否同意上述观点？理由是什么？如何验证你的观点？从而激发学生探究兴趣，引导学生用科学的观念看待世界，用实验证据检验“传言”，强化学生的思辨思维，发展科学探究能力。

将全班学生分为 3 组分别检测还原糖、蛋白质、脂肪。向还原糖组提供白萝卜匀浆、梨匀浆、苹果匀浆、西瓜汁和橙汁各 1 份；向蛋白质组提供鹌鹑蛋清和鸡蛋清各 1 份；向脂肪组提供火龙果一个和芝麻种子若干。随后，引导学生以小组为单位，自主设计探究实验方案，并使用所给材料开展实验探究。部分高一学生对于探究实验的步骤及实验操作不够熟悉，而且各组探究的难点和注 意事项各有不同，教师需及时给予适当指导。 

得到实验结果和结论后，在学生展示交流时，应引导其发现新问题，并就生成的问题继续开展深入探究，在发现问题和解决问题的循环过程中理解实验原理，熟悉实验操作，发展科学思维和探究能力。

3.3.1 检测还原糖 

还原糖检测结果如图 1所示，砖红色由深到浅依次为梨匀浆、苹果匀浆、橙汁、白萝卜匀浆、西瓜汁。此结果中西瓜汁的显色结果与大部分学生的假设不相符，因此学生得出结论：越甜的水果，糖含量不一定越高。基于该结果提出新问题：为什么西瓜品尝起来很甜，但是检测出的还原糖含量却不如橙子和白萝卜？这一问题驱动学生继续探究，通过查阅文献等方法了解糖的种类及甜度等知识。学生自主探究后认为西瓜汁中含果糖较多，而天然糖中果糖的甜度最高，因此品尝起来甜，但测出来的糖含量却不高。此外，也可以鼓励学生从其他影响实验结果的角度回答问题，例如，苹果汁氧化后颜色发生变化，可能会对实验结果造成影响等。 

3.3.2 检测蛋白质 

蛋白质检测结果如图 2 所示，等量的鸡蛋清和鹌鹑蛋清产生的紫色颜色深浅相近，肉眼观察无明显差异。学生分析，鹌鹑蛋的体积比鸡蛋小得多，而等量的 2 种蛋清中所含蛋白质含量无明显差异，所以“1 个鹌鹑蛋的营养等同于 3 个鸡蛋”的说法明显不科学。此时，再次提出问题：平时人们食用鸡蛋或鹌鹑蛋都是经过高温加热，那么加热后 1 个鹌鹑蛋的营养能否等同于 3 个鸡蛋？学生进一步开展实验探究，取等量加热后的鹌鹑蛋白和鸡蛋白打成匀浆，重复上述显色反应操作，同时启发学生可增加一组氨基酸溶液作为实验的对照组。结果发现，鹌鹑蛋白匀浆和鸡蛋白匀浆都呈现紫色且颜色深浅相近，而氨基酸溶液则呈透明近无色。学生分析，双缩脲试剂无法与氨基酸反应，加热后等量的鹌鹑蛋白和鸡蛋白营养价值依然相近。由此，引导学生进一步思考：1）双缩脲试剂检测的原理是什么？2）蛋白质加热后发生哪些改变？为什么依然能与双缩脲试剂发生反应呈紫色？这种改变对于消化道消化吸收来说有什么好处或坏处？由实验现象生成问题进一步激发学生的求知欲，驱动学生自主学习蛋白质相关知识，并在整个探究过程中发展学生的批判思维，强化基于证据论证的科学观念。

3.3.3 检测脂肪

完成前面的探究后，提出新问题：有人说无糖豆浆是优秀的“控糖饮料”，其蛋白质含量丰富，含糖量低，糖尿病患者也可以放心饮用。你是否同意上述观点？如何验证你的观点？学生通过前面的学习能想到用双缩脲试剂和斐林试剂分别进行检测，观察其颜色的深浅。结果发现，滴加双缩脲试剂以后豆浆呈现明显的紫色，而滴加斐林试剂并水浴加热后观察到溶液呈紫色的同时，还出现了蓝绿色的沉淀（图 3）。

对于此现象较多学生都存在疑惑。教师引导学生思考以下问题：1）双缩脲试剂和斐林试剂的检测原理有何区别和联系？可否直接用斐林试剂来检测蛋白质？为什么？如何解释出现了蓝绿色沉淀？2）豆浆中滴加斐林试剂后观察不到砖红色沉淀，是否说明大豆中不含还原糖？3）此实验结果能否说明豆浆中蛋白质含量高而 还原糖含量低？ 

以上情境的设置紧扣健康饮食主题，让学生用本节课学习的检测方法对无糖豆浆进行检测并论证其观点。在此过程中，故意预设超出学生预测的结果，抓住学生的好奇心。通过问题 1）驱动学生进一步深入理解 2 种试剂的检测原理，发展其比较思维和推理能力，最终引导学生查阅资料分析得出，由于斐林试剂和双缩脲试 剂成分相同，因此用斐林试剂检测豆浆时，溶液也会变成紫色。但由于斐林试剂中 CuSO4 过量，在加热条件下可能进一步与 NaOH 反应生成蓝绿色的碱式硫酸铜沉淀。通过问题 2）的引导， 帮助学生纠正错误概念，构建正确概念：适于进行豆浆检测的生物组织并不是只含有蛋白质而不含其他成分，细胞是由多种化学物质组成的，不同生物组织细胞中化合物的种类具有统一性，而含量具有差异性。此外，问题 3）从实验设计的一般原则出发进行设问，部分学生观察到紫色颜色深、无砖红色沉淀，则主观上认定其“蛋白质含量高而含糖量低”，实际上此实验缺乏对照，且对“高”“低”的判断标准仅停留于主观意识层面，可引导学生补充对照组完善实验，甚至鼓励学生学习其他定量检测还原糖和蛋白 质的新方法来进行后续拓展探究。

生物科学是理性质疑和逻辑实证的过程，学生的科学思维无法脱离真实情境而发展，更无法通过被动学习而发展。本节课从科学的特点出发，创设真实情境驱动探究，引导学生在探究过程中生成新问题，鼓励学生围绕新问题继续进行自主探究，注重引导学生基于证据为观点作论证。在此过程中学生的思辨能力、批判思维、逻辑推理能力和探究能力等都得到不同程度的发展，也为后续理论知识的学习奠定了良好的基础。