生物學科核心素養下的跨學科實驗案例探究

摘 要：高中生物實驗《綠葉中色素的提取和分離》一節中，采用基于核心素養下的高中生物實驗教學模式，通過引導學生積極參與，在教師的啟發和引導下對實驗進行探究式改進，在生物實驗中運用其他學科的知識概念或實驗方法，以學生為主體，加深理解或完成改進過程，從而提升學生的生物核心素養。

關鍵詞：核心素養;跨學科;實驗探究

生物是以實驗為基礎的一門學科，高中生物教學與實驗聯系密切。近幾年，隨著生物學科素養的提出，生物實驗也越來越受到重視，高中生物實驗教學也逐漸由傳統知識的傳授轉向注重學生學科素養的培養，學生在實驗過程中，更能發揮其主體地位。通過自己動手，合作探究，理性分析，理解教材中的基礎知識，發現實驗操作中的問題，分析解決各種疑問。這樣的實驗過程能更好的詮釋生物學科核心素養中的生命觀念，理性思維，科學探究能力及社會責任，尤其是理性思維，科學探究能力兩個方面。新課程改革中，《普通高中生物學課程標準（2017年版）》也在強調，在培養學生生物學核心素養的前提下，要提高學科間的聯系，重視學生對跨學科知識的學習和整合能力[1]。下面以高中生物實驗《綠葉中色素的提取和分離》為例，闡述在實驗過程中，學生通過反復思考，探究改進，將跨學科知識整理融合，從而落實核心素養的要求。

一、學科之間知識遞進，構筑科學生命觀念

生命觀念是生物學核心素養的標志性方面，也是學生生物學核心素養是否達成了一個重要指標，是能夠理解或解釋相關事件和現象的品格和能力。發展學生的核心素養，并希望學生身心健康，學會學習，讓學生通過實驗真正掌握生物學概念，找到學習的竅門，并在實驗的過程中構筑科學生命觀念。

學生在初中化學中學過溶解度的概念，但始終是停留在概念和計算數據的層次上，在本次實驗用層析液對各種色素進行層析時，利用的原理是“各種色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散得快，反之則慢。這樣幾分鐘之后，濾液中的色素就會隨著層析液在濾紙上的擴散而分離開。”通過層析的過程，學生可以在短短幾分鐘親眼見證因溶解度大小差異而導致的實驗現象，這樣學生就能更深刻的理解化學學科的名詞一一溶解度。學生的學習興趣也會被激發，從而形成樂觀向上的學習態度和學習行為，而我們的生命觀念教育也容易獲得成功。

二、先知后行，學科知識的交叉運用促進學生發展科學思維

嚴謹的科學思維是任何一個學科實驗必須遵循的思路，也是學生綜合能力培養的前提。學生通過主動思考和探索求知，最終會達到對所學知識的理解和掌握，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題。而這一過程的實施，往往需要多學科的滲透，通過學科之間的聯系，解決跨學科的問題。因而，在高中生物實驗教學中，教師應更好地培養學生積極求證、先知后行的科學精神，提升學生的理性思維能力。

在本實驗提取綠葉中的色素的操作中，教材使用的方法是研磨法，加10ml無水乙醇，通過研磨，讓色素溶解在無水乙醇中。因為新鮮葉片含水量比較高，會導致色素的相對濃度下降，同時，因為研磨過程中色的選材和操作者操作的差異，也會導致學生對色素的提取結果出現較大差異，而且點樣時也容易印染，導致色素分離不明顯。如圖1所示。

針對以上情況，學生提出了兩種改進意見。

方法一，先將鮮葉在烘箱中烘干，干燥之后用料理機粉碎，得到粉末，然后，配置成溶液作為提取液。這種方式在原實驗的基礎上，尤其是針對一個班進行實驗的時候，大大縮短了實驗時間，而且所獲得的溶液色素含量更高，而且可以不局限于時間季節獲取實驗材料。

方法二，在原裝置的基礎上，將提取液在水浴環境中進行加熱，在高溫的作用下，能夠讓更多的色素溶解在提取液中。實驗結果表明，水浴后提取液中色素含量的確大大提高，后期劃線和色素擴散的情況也有了很大改善。如圖2所示。

通過色素提取這一改進過程，學生能考慮到新鮮葉片水分含量高會影響色素濃度，從而想辦法減少水分，能敏銳地選擇烘干設備和粉碎設備，并應用于實驗;也能通過化學的操作手段——水浴加熱，來提高色素在無水乙醇中的溶解量。這兩種不同途徑的改進方式們首先來自于學生扎實的學科知識積累，更重要的是能從同一個實驗現象的不同角度出發，來找到解決問題的途徑，將跨學科知識的交叉應用發揮得淋漓盡致，多維度提升了學生的科學思維。

三、跨學科知識的運用促進學生深化科學探究

科學探究是學生學習的一種重要方式，尤其在實驗操作過程中體現得更為突出。當實驗現象真實地展現在學生面前，而且與學生的預期有比較大出入的時候，學生能夠大膽質疑，在好奇心的驅使下，學生會形成積極的學習態度，在不夠理想的實驗結果面前，反思，討論，運用其他學科的既成知識，大膽解決生物實驗中的小問題。在事實分析和知識運用過程中，培養了學生的批判性思維，創造性思維。學生也會因為通過自己的智慧改進教材上的實驗而獲得極高的成就感，進一步激發他們的學習熱情和積極性。

在完成本實驗后，同學們期待用實驗中的提取液，通過三棱鏡直接分光來觀察色素的吸收光譜，但在實際操作中發現，無論是自然光源還是LED光源，反反復復實驗，都很難得到完整的吸收光譜圖。通過學生查閱大量資料，發現主要原因是我們很難獲取光譜成分齊全的平行光。我們嘗試用物理學科的分光光譜儀來顯示色素吸收光譜就相對容易，在使用UV-紫外可見光分光光度計，調節透光度為100%，95%乙醇作為溶劑的前提下，放入待測液就能得到相對完整的吸收光譜圖。

四、跨學科知識的運用促進學生增強社會責任

社會責任是生物學核心素養的重要目標，它是指將生物學的基礎知識融入社會的相關事務中去討論，作出理性的解釋和判斷，并嘗試解決生產生活中的生物學問題。高中生物課本中許多課程都與生活有著密切的聯系。教師通過本實驗，有針對性的引導學生討論，并做出理性見解，這是培養社會責任的重要途徑。這些涉及生物學知識的社會科學相關內容，也是進行跨學科教學的重要教學資源。

本實驗在分組時，我們將學生分為兩組，分別對黃葉和綠葉中的色素種類及含量進行對比實驗，通過獲得的實驗結果進行對分析。學生能清晰地從色素帶的分布上得出黃色葉片和綠色葉片中四種色素的含量情況，由此也可以得出葉片變黃的主要原因是哪些色素發生的改變。在面臨一些相似的農業、作物、花卉等的黃葉情況，學生也能做出簡單的判斷。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）[S]北京：人民教育出版社，2018.

[2]劉付香.“綠葉中色素的提取與分離”實驗的改進.生物學教學，2017（7）：43-44

[3]楊銘，劉恩山.生物學核心素養視角下的科學探究.生物學通報，2017（9）：11-14.

[4]蘇瑞.高中生物與其他學科交叉滲透的教學實踐研究[D].延安大學，2017.

作者簡介：劉麗，（1982—），女，湖北石首，漢族，一級教師，本科，研究方向：生物學

基金項目：廣東省教育廳2017年青年創新人才類項目“高職院校專業教育與“雙創”教育深度融合的方法與路徑”的階段性成果（2017GWQNCX033）