基于生物學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——以“綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)”為例

李小玲 房 璐

（東營市第二中學(xué) 山東東營 257000）

學(xué)科核心素養(yǎng)指個體在面對復(fù)雜的、不確定的現(xiàn)實(shí)生活情境時，綜合運(yùn)用學(xué)科觀念、方法、知識與技能解決實(shí)際問題所表現(xiàn)出來的必備品格與關(guān)鍵能力。教育部制定的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中指出：生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。學(xué)生核心素養(yǎng)的形成并非朝夕之間，需要落實(shí)到每一堂課中。下面以人教版高中生物必修一第五章第四節(jié)中“綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)”教學(xué)為例，闡述如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 知識銜接，樹立生命觀念

生命是結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一體。生命觀念指觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象，是經(jīng)過實(shí)證后的想法或觀點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)與能量觀等，有助于理解或解釋較大范圍的相關(guān)事件和現(xiàn)象。學(xué)生應(yīng)基于知識的理解，樹立生命觀，并能用生命觀念認(rèn)識、解釋生命現(xiàn)象。

在學(xué)習(xí)“色素的提取和分離”之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能，并且用高倍顯微鏡觀察了菠菜葉下表皮、黑藻的葉綠體，發(fā)現(xiàn)它們?yōu)榫G色扁平的球形或橢球形，散布在細(xì)胞質(zhì)中。課始，教師以高倍顯微鏡下葉綠體的照片導(dǎo)入，并提出問題：葉綠體為什么呈現(xiàn)綠色？鑒于初中知識及高中生已有的邏輯，學(xué)生推斷出：葉片呈綠色是因?yàn)槿~綠體中含有綠色的色素。教師追問：綠葉中色素全部都是綠色的嗎？綠葉中色素的種類有多少呢？含量是否一樣呢？與光合作用有什么樣的聯(lián)系？由此激發(fā)學(xué)生的求知欲。教師繼而引領(lǐng)學(xué)生回顧初中學(xué)過的銀邊天竺葵白邊部位無法進(jìn)行光合作用相關(guān)知識，合理地解釋色素能夠捕獲光能的現(xiàn)象；葉綠體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為雙層膜，內(nèi)含許多類囊體堆疊而成的基粒，這為捕獲光能的素色提供了大量的附著位點(diǎn)，使光合作用能高效進(jìn)行，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的觀點(diǎn)。這樣使學(xué)生進(jìn)一步鞏固了生命觀念中的結(jié)構(gòu)與功能觀，通過對舊知識的梳理及與新知識的銜接，指導(dǎo)學(xué)生理解生物學(xué)概念，促使學(xué)生更科學(xué)地認(rèn)識生命現(xiàn)象，并在思考中解釋新面臨的生物學(xué)問題，形成生命觀念。

2 基于原理，培養(yǎng)科學(xué)思維

科學(xué)思維是指人腦對客觀事物形成清晰的圖景，并反復(fù)加工、去粗取精，把感性認(rèn)識概括上升為理性認(rèn)識的間接認(rèn)識過程。教師要培養(yǎng)學(xué)生正確使用科學(xué)思維方法，如科學(xué)推理（如類比推理、演繹推理等）不僅需要大膽的聯(lián)想與想象，也需要嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的求知態(tài)度。教師引導(dǎo)學(xué)生分析“綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)”的原理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

教師提出問題：該實(shí)驗(yàn)應(yīng)該如何取材？色素位于細(xì)胞內(nèi)，如何才能獲得實(shí)驗(yàn)材料中的色素？獲取色素后應(yīng)選用哪種提取液？基于高倍鏡下的葉綠體呈綠色，學(xué)生易分析應(yīng)選取綠色葉片，可選擇種類較多，并不僅局限于新鮮綠葉，也可以是風(fēng)干或烘干的綠葉。教師繼續(xù)追問：色素位于細(xì)胞內(nèi)，能否類比制備細(xì)胞膜一樣利用吸水脹破的方式獲取色素呢？類比推理應(yīng)尊重事實(shí)，植物細(xì)胞具有細(xì)胞壁，這樣的生理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無法吸水脹破。教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生推理出可用機(jī)械方法破壞細(xì)胞，釋放色素，如研磨法。

教師提供背景知識：溶質(zhì)與溶劑極性相近，兩者便可很好地溶解（相似相容原理），色素是有機(jī)大分子，不溶于水，應(yīng)該選用什么作為提取液？學(xué)生推理可用有機(jī)溶劑提取色素，如用無水乙醇或者一定比例的石油醚、丙酮與苯，也可參考他人改進(jìn)方法，將具有危害性的的丙酮和苯替換為毒性較小的甲苯。

在學(xué)生理解色素提取原理之后，教師提出問題：如何才能使色素分離呢？科學(xué)與生活經(jīng)驗(yàn)總有千絲萬縷的聯(lián)系，教師結(jié)合日常生活中刷白色帆布鞋時需包上衛(wèi)生紙晾干，這樣鞋面上的污漬部分溶解于水中會隨水分子擴(kuò)散到衛(wèi)生紙上，鼓勵學(xué)生大膽想象并運(yùn)用類比推理的思維方法得出“用有機(jī)溶劑作層析液分離色素”。

3 團(tuán)隊(duì)合作，提高科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對結(jié)果的交流和討論。

“色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)”是一個驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，為增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)探究能力，筆者將其設(shè)計(jì)為探究性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，簡介實(shí)驗(yàn)步驟，營造民主的課堂氛圍，讓學(xué)生敢于表達(dá)觀點(diǎn)，師生共同討論可以探究的問題，課堂上生成了如下探究課題：探究不同實(shí)驗(yàn)材料對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；探究不同提取液對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；探究不同層析液對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；探究不同畫線方法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，學(xué)生選取可實(shí)施的探究課題，分小組自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，注重思考實(shí)驗(yàn)組與對照組的設(shè)計(jì)、預(yù)期結(jié)果判斷。在教師的指導(dǎo)下，各小組成員合作完成探究實(shí)驗(yàn)，規(guī)范操作技能，每一步操作要科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，將實(shí)驗(yàn)誤差控制在允許范圍內(nèi)。

學(xué)生觀察、整理實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題及新生成的問題。教師針對所出現(xiàn)的問題，鼓勵學(xué)生大膽創(chuàng)新，提出自己的改進(jìn)意見，與組內(nèi)成員進(jìn)行交流討論，并將每組的可取之處記錄下來，便于后期探究更完善的方案。例如，某小組在探究不同實(shí)驗(yàn)材料對色素提取與分離的影響時，發(fā)現(xiàn)陰干的茴香葉提取和分離效果均優(yōu)于新鮮茴香葉。為了探究這種結(jié)果是偶然現(xiàn)象還是必然結(jié)果，該組學(xué)生又設(shè)計(jì)了風(fēng)干菠菜葉與新鮮菠菜葉、風(fēng)干蘿卜葉與新鮮蘿卜葉、菠菜葉與韭菜葉的三組實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)至少三次重復(fù)，通過反復(fù)對比，發(fā)現(xiàn)，對于同種葉片，陰干葉片效果優(yōu)于新鮮葉片，菠菜葉優(yōu)于韭菜葉。學(xué)生深入思考后，提出假設(shè)：含水量低的葉片色素提取和分離效果優(yōu)于含水量高的葉片。這個假設(shè)是否正確，還需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。教師鼓勵學(xué)生利用課余時間在實(shí)驗(yàn)室開放日走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，主動地探究自己的改進(jìn)方法，得出結(jié)果，形成結(jié)論。有的小組在完成實(shí)驗(yàn)后，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)方法，如用圓形濾紙進(jìn)行層析、用白粉筆進(jìn)行層析、用蘸水筆吸取色素畫濾液細(xì)線等，均取得了較好的效果。

學(xué)生在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)的過程中逐步增強(qiáng)了對自然界中生命現(xiàn)象的好奇心，鍛煉了動手實(shí)踐的能力及創(chuàng)新能力，耳濡目染了求實(shí)、理性的科學(xué)精神，形成尊重事實(shí)、敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度，學(xué)生的創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)合作精神于無形中提高。教師在日常實(shí)驗(yàn)課中的引導(dǎo)，對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究起到了潤物細(xì)無聲的效果。

4 分析結(jié)果，提升社會責(zé)任感

社會責(zé)任是指基于生物學(xué)的認(rèn)識，參與個人與社會事務(wù)的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題的擔(dān)當(dāng)和能力。

探究實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，組內(nèi)所有成員參與討論，以生物學(xué)知識為依托，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出合理的判斷和解釋，最終匯總本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果、對結(jié)果的解釋、新生成的問題等，并分組匯報(bào)進(jìn)行展示，培養(yǎng)解決問題的能力，并對知識進(jìn)行延伸。教師引導(dǎo)學(xué)生將本節(jié)課的知識與生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系起來，將所學(xué)知識用于解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題。例如，色素捕獲光能以進(jìn)行光合作用，將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為植物體內(nèi)儲存能量的有機(jī)物，不同色素捕獲的光能是否一致呢？如何根據(jù)色素捕獲光能的種類提高大棚種植中作物產(chǎn)量呢？研究色素及光合作用是否僅僅是為了作物增產(chǎn)呢？能進(jìn)行光合作用的植物與人類以及人類賴以生存的地球有什么聯(lián)系？教師引導(dǎo)學(xué)生思考綠色植物的直接價(jià)值與間接價(jià)值，以及在生態(tài)平衡中無法替代的作用，形成“綠水青山就是金山銀山”的理念，培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境的意識；倡導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會議題，促使學(xué)生肩負(fù)起愛護(hù)地球、尊重生命的責(zé)任；培養(yǎng)學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)生活問題的社會責(zé)任感，促進(jìn)學(xué)生成為健康中國的實(shí)踐者和接班人。