通識教育指導(dǎo)的“建構(gòu)”型高中生物實驗課
——以胡蘿卜素的提取為例

甘肅 王兆胡 吳曉東

早期通識教育在高中階段的課堂教學(xué)中已逐步滲透發(fā)軔于高考備考，順應(yīng)基礎(chǔ)教育和高等教育接軌的趨勢，通識教育應(yīng)是一以貫之的教育方略。基于建構(gòu)主義理論設(shè)計一節(jié)選修實驗課面臨著探索空間大、參照課例少、教學(xué)效果不穩(wěn)定等諸多困難。鑒于上述現(xiàn)狀，筆者嘗試以《胡蘿卜素的提取》為例設(shè)計一節(jié)以早期通識教育理念為指導(dǎo)的高中“建構(gòu)”型實驗課以期培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

一、課題準(zhǔn)備

1.理論知識

（1）胡蘿卜素簡介

a.化學(xué)視角下認(rèn)識胡蘿卜素的分子結(jié)構(gòu)：胡蘿卜素的化學(xué)結(jié)構(gòu)中央有相同的多烯鏈（包含多個碳碳雙鍵），根據(jù)碳碳雙鍵的數(shù)目將其主要劃分為α、β、γ三種。β-胡蘿卜素在胡蘿卜素中分布最廣，含量最多，在眾多異構(gòu)體中最具有維生素A生物活性，在綠葉中與葉綠素共同存在，胡蘿卜的根里也有很多；α-胡蘿卜素在綠葉和胡蘿卜的根里與β-胡蘿卜素共同存在，含量一般較少；γ-胡蘿卜素在生物體內(nèi)的分布則有限。

b.生化特性：胡蘿卜素是橘黃色結(jié)晶，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不溶于水、微溶于乙醇、易溶于石油醚等有機溶劑，鐵離子可使其褪色。胡蘿卜素是常用的食品橙色色素，廣泛地用作食品、飲料、飼料的無毒添加劑以及化妝品新興市場上，還可以清除自由基，抗衰老，預(yù)防和修復(fù)細(xì)胞損傷，近期發(fā)現(xiàn)天然的胡蘿卜素還具有使癌細(xì)胞恢復(fù)成正常細(xì)胞的作用。β-胡蘿卜素稱為維生素A原，一分子β-胡蘿卜素在人或動物的小腸、肝臟等器官可被氧化成為兩分子的維生素A，因此可被用來治療因缺乏維生素A而引起的各種疾病，如夜盲癥、幼兒生長發(fā)育不良、干皮癥等。

c.提取來源：從植物（如胡蘿卜）中提取；從養(yǎng)殖的巖藻（如海帶、馬尾藻、裙帶菜等）中提取；利用微生物發(fā)酵（如產(chǎn)氫紅桿菌、工程菌等）生產(chǎn)。

（2）紙層析的原理及應(yīng)用

紙層析法又稱紙色譜法，是以紙為載體的色譜法。固定相一般為紙纖維上吸附的水分，流動相為不與水相溶的有機溶劑。紙層析法依據(jù)極性相似相溶原理，以濾紙纖維的結(jié)合水為固定相，以有機溶劑作為流動相。由于樣品中各物質(zhì)分配系數(shù)不同，而擴(kuò)散速度不同，因此可達(dá)到分離的目的。常應(yīng)用在環(huán)境分析測試中，有時用紙層析法分離測試樣組分，也用于一些精度不高的組分分析。必修1葉綠體色素分離的實驗中利用四種色素在層析液中的溶解度不同，分離出4條色素帶，并由此可知各種色素的相對含量和種類。

（3）萃取劑

萃取胡蘿卜素的有機溶劑應(yīng)該具有較高的沸點，能夠充分溶解胡蘿卜素，并且不與水互溶。此外還需考慮萃取的效率、實驗的安全性、取材的便捷性，綜合考慮得出適合于萃取胡蘿卜素的萃取劑是石油醚。

2.實施方案

（1）原料：胡蘿卜粉碎干燥。

（2）萃取劑：石油醚。

（3）萃取效率的優(yōu)化：萃取效率主要取決于萃取劑的性質(zhì)和使用量，還受原料顆粒的大小、緊密程度、含水量，萃取的溫度和時間等條件的影響。萃取的最佳溫度和時間可通過設(shè)置對照實驗來摸索。

（4）粗提裝置的設(shè)計如圖所示：

（5）結(jié)果分析：最佳萃取條件的優(yōu)化；萃取獲得的粗提液的處理；萃取液的濃縮；提取物的鑒定。

（6）提取物鑒定方案：紙層析法（如圖）

（7）課題成果評價：

①總結(jié)提取胡蘿卜素的最佳方案。學(xué)生分組選取不同溶劑和萃取時間，最后匯總數(shù)據(jù)比較各組實驗結(jié)果，優(yōu)化出最佳方案。

②層析帶顯示狀態(tài)的解釋與說明。從樣品含有的雜質(zhì)量、顏色比較等方面定性判斷萃取質(zhì)量。

二、課題實施

材料粉碎→材料干燥→水浴加熱→冷凝回流→空間通風(fēng)→紙層析法鑒定

三、課題整理

問題串：

1.用胡蘿卜做食材的菜肴中浮油會呈現(xiàn)橘黃色，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是什么？

2.如何將這些橘黃色的物質(zhì)提取出來？浮油意味著什么？

3.選取的萃取劑需要符合哪些條件？

4.萃取之前需要對原材料做哪些處理？

5.聯(lián)系已有化學(xué)知識，提取胡蘿卜素的裝置和蒸餾裝置該如何安裝？

6.鑒定提取物采取的方法在哪些物質(zhì)的分析中還應(yīng)用過？

7.層析裝置組裝需要注意哪些事項？請對紙層析的結(jié)果圖進(jìn)行說明。

8.有機溶劑萃取法還可應(yīng)用于哪些動、植物有效成分提取？

9.嘗試總結(jié)層析技術(shù)的基本原理。

10.結(jié)合課題3中蛋白質(zhì)的提取和分離技術(shù)并借助網(wǎng)絡(luò)和書籍梳理色譜技術(shù)。

四、課例理解

1.生物實驗教學(xué)的出發(fā)點是學(xué)科核心素養(yǎng)

當(dāng)下生物實驗課堂上知識教學(xué)發(fā)生著三種習(xí)慣性的演變：首先，知識教學(xué)狹化為具體知識點的教學(xué)，而對知識背后的學(xué)科方法、學(xué)科思想和學(xué)科價值等的挖掘不夠。其次，知識教學(xué)演變?yōu)榉栃问降慕虒W(xué)，而對知識所蘊含的邏輯根據(jù)、思想方法和價值意義一帶而過。再次，知識教學(xué)囿于知識本身的教學(xué)，而較少關(guān)注其認(rèn)識來源、類型差異、共同屬性以及這些知識之間的組織結(jié)構(gòu)。對于實驗教學(xué)來說，應(yīng)該“兩個拳頭”都得硬，一是理論知識儲備，二是動手能力培養(yǎng)。只有教師更新觀念，才會引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)和獲得高質(zhì)量的知識，才能培育學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)中的自我建構(gòu)

學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展不僅與學(xué)生建構(gòu)和獲得知識的結(jié)果質(zhì)量有關(guān)，而且還與學(xué)生建構(gòu)和獲得知識的過程、質(zhì)量和方式有關(guān)。從方法論上講需要教師從學(xué)習(xí)的本質(zhì)和學(xué)科核心素養(yǎng)的特性兩個方面展開思考。常規(guī)實驗教學(xué)難以有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)的一個重要原因是偏離了學(xué)習(xí)的本質(zhì)，即學(xué)生沒有自主建構(gòu)。生物實驗課的教學(xué)在操作層面上應(yīng)關(guān)注深度學(xué)習(xí)，即要求學(xué)生對知識的建構(gòu)過程是連續(xù)的、縱深的和整體的。

3.實驗教學(xué)中培育學(xué)科核心素養(yǎng)

大量的課堂實踐經(jīng)驗和學(xué)習(xí)理論表明，有利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)狀態(tài)必須滿足兩類條件：第一，從知識的活化到知識的整合；第二，從知識的內(nèi)化到知識的外化。生物學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)最終還是由學(xué)生通過領(lǐng)悟而成，最終要實現(xiàn)將外在的知識轉(zhuǎn)化為自己的知識，再通過表達(dá)與交流、遷移與運用將知識外化出來。

4.生物實驗教學(xué)的基本設(shè)計思路

在實際的實驗教學(xué)當(dāng)中通常采取構(gòu)建思維導(dǎo)圖和問題解決式學(xué)習(xí)來彌補課堂教學(xué)機械化操作的不足。本文所引案例的學(xué)習(xí)策略包含了如下內(nèi)涵：問題解決式學(xué)習(xí)的精髓在于實現(xiàn)知識學(xué)習(xí)路徑的翻轉(zhuǎn)，即知識線索翻轉(zhuǎn)為問題線索；立足“學(xué)生—學(xué)科—生活”來設(shè)計真實的學(xué)科問題；謀求過程內(nèi)發(fā)生真實而深刻的轉(zhuǎn)變，即從內(nèi)源性學(xué)習(xí)到生成性學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。問題驅(qū)動的整合式教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)，也是在通識教育理念下展開的廣域深度學(xué)習(xí)。為了設(shè)計出接近真實的學(xué)科問題，教師應(yīng)采取“1+n”的學(xué)科問題設(shè)計思路。其中，“1”指在課堂中居于核心地位，對其他問題起著統(tǒng)領(lǐng)和整合作用的學(xué)科核心問題或核心概念；“n”指圍繞學(xué)科核心問題而自然生成的學(xué)科子問題，同時要兼顧STSE（科學(xué)—技術(shù)—社會—環(huán)境）類問題的設(shè)計。學(xué)科子問題的設(shè)計需要遵循三個基本要素：學(xué)生認(rèn)知順序性、各個學(xué)科子問題之間內(nèi)在邏輯性、體現(xiàn)層次性和階梯性的縱深化處理。借助學(xué)科核心問題和學(xué)科子問題，共同構(gòu)成了驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)科問題群以不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力和提升學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，進(jìn)而達(dá)到通識化學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。

在此思路下，教師須基于大量的課堂經(jīng)驗把握四個操作要領(lǐng)：第一，把握教材內(nèi)容所傳遞的學(xué)科本質(zhì)信息；第二，捕捉學(xué)生內(nèi)源性學(xué)習(xí)力的激活點；第三，尋找教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實生活事物的連接點；第四，具有“Bio-X”為基礎(chǔ)的學(xué)科交叉?zhèn)湔n準(zhǔn)備。通識教育的初級階段需要初步的學(xué)科交叉、打破文理。如果沒有這種跨學(xué)科融合的超前意識，備出的課總顯單調(diào)枯燥，并沒有揭示出學(xué)科生態(tài)關(guān)系，對學(xué)科生態(tài)位的理解也是模糊的。

5.以通識教育為歸宿的生物實驗教學(xué)實踐

通識教育極其廣博，就生物學(xué)科而言主要體現(xiàn)在樹立正確的生命觀、崇尚理性思維的培養(yǎng)、注重實際問題的科學(xué)探究和增強社會責(zé)任意識。筆者基于以上認(rèn)識為本課制定了生物實驗教學(xué)“雙育”和“三維”目標(biāo)的四個環(huán)節(jié)：環(huán)節(jié)一，核心目標(biāo)—核心知識。在胡蘿卜素的提取一課中，需要著重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)是實驗設(shè)計與動手操作能力。為了達(dá)成這個核心目標(biāo)，教師需要著重引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)與獲得核心知識。環(huán)節(jié)二，核心知識—核心問題。將萃取法和紙層析技術(shù)作為本節(jié)課的核心知識，定為本節(jié)課的重點教學(xué)內(nèi)容。這樣還不足以體現(xiàn)通識性，應(yīng)拓展其應(yīng)用范圍，如涉及色譜技術(shù)的簡介，并結(jié)合人教版教材中出現(xiàn)的案例來揭示這類分析技術(shù)的應(yīng)用。環(huán)節(jié)三，核心問題—子問題群。圍繞萃取法的應(yīng)用這個核心問題，可以將其分解成多個子問題來逐步認(rèn)識萃取法的適用條件等。環(huán)節(jié)四，子問題群—活動序列。“知”與“行”的辯證統(tǒng)一。先做理論準(zhǔn)備，再定實施方案，可以生成本節(jié)課的學(xué)習(xí)活動序列。

通過對本課例實實施過程實質(zhì)上的考查，發(fā)現(xiàn)實施問題驅(qū)動的整合式教學(xué)要依次實現(xiàn)“四化”：一是目標(biāo)的內(nèi)容化，即將學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)轉(zhuǎn)化成符合學(xué)科本質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容，以核心知識為載體；二是內(nèi)容的問題化，即將學(xué)生需要重點建構(gòu)和獲得的核心知識轉(zhuǎn)化成一個學(xué)科核心問題；三是問題的次序化，即將學(xué)科核心的問題分解轉(zhuǎn)化為一系列具有內(nèi)在邏輯關(guān)系的學(xué)科子問題，符合學(xué)生解決問題與認(rèn)知建構(gòu)的心理規(guī)律；四是問題的活動化，以具體可檢測評價的學(xué)習(xí)活動為載體，學(xué)習(xí)活動進(jìn)程是根據(jù)學(xué)科子問題群的生成而同步推進(jìn)的。借助以上四個轉(zhuǎn)化，最終引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的活動過程中自然而然的培養(yǎng)和發(fā)展了學(xué)科核心素養(yǎng)。