基于實驗探究的“葉的色彩”一節的教學設計

楊雪峰

（上海市光明中學 上海 200021）

1 設計思想

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》要求“高度關注學生學習過程中的實踐經歷，強調學生學習的過程是主動參與的過程，讓學生積極參與動手和動腦的活動，通過探究性學習活動或完成工程任務，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力，培養創新精神，進而能用科學的觀點、知識、思路和方法，探討或解決現實生活中的某些問題”。“葉的色彩”這節課以現實生活中的情境為背景，用科學的思路和方法解決實際問題的載體。本節課以實驗探究為主導，以“尋找色素－探究上海秋天的色彩－色素與環境的關系”為主線，以學生現實生活中的綠色菠菜葉、黃色銀杏落葉、褐色法國梧桐落葉以及紅色雞爪槭落葉為實驗材料，學生分組探究不同種植物葉片中葉綠體色素的種類和含量。學生在實踐探索過程中，培養發現問題、分析問題和解決問題的能力，逐步樹立物質、結構、功能相統一的生命觀念，并感悟“植物體的各種色彩變化是與其環境相適應，是自然選擇的結果”。

2 教學目標

①能說出葉綠體的結構，能通過實驗結果判斷出葉綠體色素的物理性質，并能根據葉綠體色素提取和分離的原理，利用薄膜層析方法探究上海秋天葉片中葉綠體色素的種類和含量。

②能通過分光光度計法測量菠菜不同部位葉片中葉綠體色素含量，知道色素的作用和與光合作用的關系。

③能通過實驗激發科學探究的興趣，提升實驗探究能力，培養合作精神。

④能通過分析葉綠素含量與光照強度和溫度的關系，感悟葉片的色彩變化是對環境適應的結果。

3 教學過程

3.1 創設情景，導入新課

教師展示學生拍攝的上海秋天的彩色葉片的照片，引出問題：秋天的樹葉為什么色彩炫麗多彩？學生回答：葉片的色彩與植物細胞的色素有關。

設計意圖：秋天的色彩主要是通過葉片的色彩所體現的。上海秋天葉片風景照可吸引學生的眼球，激發學生的學習興趣，同時增強美的享受。教師將葉片的色彩與色素的種類和含量相聯系，可以讓學生快速聚焦目標，找到探究的切入點。

3.2 尋找色素——色素存在的部位，提取色素

教師提出問題：①色素主要存在于植物細胞的什么細胞器中？②葉綠體主要存在于哪些細胞中？③葉綠體色素存在于什么結構上？④如何將葉綠體色素提取出來？學生按照“植物—葉片—植物細胞—葉綠體—類囊體—類囊體膜”的順序，從整體到局部、器官到細胞、細胞到細胞器，最終確定葉綠體色素存在的部位。學生設計提取色素的實驗：將綠葉置于不同的溶劑中，以溶解色素。教師提供蒸餾水和無水乙醇兩種試劑。學生完成“提取葉綠體色素”探究活動，分析實驗結果，得出葉綠體色素可用有機溶劑提取。根據相似相溶原理，學生推理出葉綠體色素是脂溶性的。

設計意圖：教師利用多媒體從整體到局部、宏觀到微觀地逐層展示植物結構，幫助學生建立認識。學生通過簡單的探究活動，了解葉綠體色素的物質性質是脂溶性的，激發了探究熱情，并為后續探究葉綠體色素的種類和含量做鋪墊。

3.3 探究上海秋天的色彩

3.3.1 探究活動：以聚酰胺薄膜層析法定性探究上海秋天葉片中葉綠體色素的種類

教師提問：怎樣檢測色素的種類和含量？學生8人一大組，兩人一小組合作探究一個實驗材料，每個大組共探究4份植物材料。各大組組內比較分析實驗結果后，教師再組織全體學生分析各種實驗材料的結果，引導學生得出實驗結論。

學生以干燥過的新鮮植物葉片各1 g（不同部位的綠色菠菜葉、黃色銀杏葉、棕黃色法國梧桐葉、紅色雞爪槭葉）為實驗材料，制備葉片勻液，再提取色素上清液（離心機離心分離），使用薄膜層析法分離色素。實驗結果為：菠菜不同部位的綠葉中都有4種色素，從上到下顏色為黃色、橙黃色、藍綠色、黃綠色。根據顏色判斷為葉黃素、胡蘿卜素、葉綠素a、葉綠素b。銀杏葉有葉黃素；法國梧桐葉中有葉黃素和胡蘿卜素；雞爪槭葉的色素帶上有4條，葉綠素的色素帶顏色非常淺，還出現了一條紫色的色素帶。

教師引導學生從實驗結果中發現問題。學生提出的問題有：①為什么雞爪槭葉的色素帶中出現了紫色的色素帶？這是什么色素？②菠菜綠葉有四種色素，為什么葉片呈綠色？菠菜各部分葉色素含量是一樣的嗎？③夏天，銀杏葉、梧桐葉和雞爪槭葉都是綠色的，是什么環境因素導致秋天葉片缺乏葉綠素？

針對問題①，教師展示雞爪槭的紅色落葉，引導學生思考原因。學生判斷紫色帶是液泡中的花青素，它也可以溶于乙醇中并被分離出來。學生繼續提問：為什么紅色的花青素在色素帶上卻呈現出了紫色帶？教師講解：花青素在酸性條件下變紅，堿性條件下變藍，中性條件下變成紫色。學生自己感悟出：體積分數為95%的乙醇提取液是中性環境，所以分離出的色素帶呈現紫色。雞爪槭葉呈紅色，是因為液泡中溶液是酸性的，花青素呈現出紅色。教師引導學生進一步探究問題②和問題③。

3.3.2 探究活動：用分光光度計法定量測定菠菜各部位葉片中葉綠體色素的含量

學生8人一組，小組內完成菠菜外部葉、中部葉和內部葉的葉綠體色素含量的探究。小組內比較分析數據后，班級內不同組共享同一部位色素含量的數據，求出平均值。

教師引導學生理解實驗原理：葉綠素a、b在95%乙醇中的最大吸收波長分別為665 nm和649 nm，類胡蘿卜素的最大吸收波長為470 nm，且吸光度值與色素的含量有關。分別測定葉綠體色素在這三個波長處的吸光度，再根據Lambert-Beer定律，按相關公式計算出其含量。學生進行實驗，對實驗數據進行處理，以乙醇為提取液的色素濃度（mg·L-1）和含量（mg·g-1）的計算公式：

葉綠體色素的含量=色素濃度×提取液體積×稀釋倍數/樣品鮮重（或干重）。

各組交流數據，表1是學生統計處理過的相關數據的平均值。

表1 菠菜外部、中部和內部葉綠素和類胡蘿卜素含量及相關比值

師生共同分析數據，得出實驗結論：菠菜綠葉中葉綠素含量遠多于類胡蘿卜素含量，所以綠葉呈現綠色。綠葉外部、中部和內部色素含量不同，外部多于中部，內部色素含量最少，說明葉片成熟部位的色素含量高于幼嫩部位。葉片從幼嫩到成熟的過程中，葉綠素的合成速率小于類胡蘿卜素的合成速率。色素的合成可能與光有關，外部吸收光多，葉綠素和類胡蘿卜素含量均高，光合作用強。Ca/Cb越高，可能有利于吸收光。

教師小結：葉綠體色素的作用是吸收光，葉綠素主要吸收紅橙光和藍紫光，類胡蘿卜素主要吸收藍紫光。教師強調：正是因為這些光合色素吸收光能，并把光能傳遞給少數葉綠素a，導致葉綠素a得失電子的發生，從而啟動了光合作用。

設計意圖：教師以秋天常見的4種植物葉片作為定性和定量實驗的材料，讓美麗的葉片承載著學生探究的熱情，引導學生關注生活，在探究過程中，增強學生對自然現象的好奇心和求知欲。同時，引導學生從探究的結果中發現問題，提出新疑問，再通過探究解決新問題，提升思維品質，提高實踐能力，在探究過程中培養學生的合作精神。

3.3 色素與環境的關系

教師展示綠色銀杏葉和黃色銀杏葉的色素帶，學生提出問題：①什么環境因素導致秋季法國梧桐、銀杏、雞爪槭落葉中葉綠素含量大量減少？②低溫是如何影響葉綠素含量的？③強光和弱光是怎樣影響葉綠素含量的？

秋天葉綠素含量下降的主要環境因素是溫度下降和光照減弱。教師先組織學生構建含量變化的思維模型“來源→含量變化←去路”，然后引導學生利用模型分析低溫影響葉綠素合成酶的活性：葉綠素的來源減少，而葉綠素的降解量增加，導致葉綠素含量下降。針對光照強度對葉綠素含量的影響，教師利用韭菜和韭黃說明弱光下葉綠素的合成量減少；并展示學生課前所做的探究實驗“光照強度對離體葉綠素的影響”實驗結果，說明強光會加速葉綠素的分解。

教師總結：秋天葉片的多姿多彩，是色素種類和含量變化的體現。這是葉片對環境的適應，是長期自然選擇的結果。

根據上述學習，學生繼續提出新的問題：①為什么有些植物的葉片在秋冬季依然保持綠色？②夏天，為什么自然界中的綠色植物的葉片無論是在強光下還是在弱光下都能保持綠色？教師布置學生課后查閱資料，自主學習尋找原因。

設計意圖：建模對于生物學的學習非常重要。學生通過分析溫度和光照強度對葉綠素含量的影響，建立物質的含量受其來源和去路兩個方面影響的思想，并以此作為分析物質含量變化的依據。生物體與其生存的環境相適應是生命科學的基本觀念之一，但是觀念的落實需要教師搭建支架，幫助學生自己去領悟。教師提供的支架是“展示學生課前探究光照強度對離體葉綠素的影響實驗結果”，讓學生透過實驗現象解釋問題，同時又產生新的思維沖突，激發新的探究欲望，布置課后作業，引發學生繼續探究，讓學生深入感悟生物體是與其生存環境相適應的。

4 教學反思

本節課以實驗探究為主導，且探索形式多樣，既有課上全體學生參與的探究活動，又有部分學生課前的探究；既定性地探究了葉綠體色素的物質性質和種類，又定量地檢測了菠菜葉片不同部位的葉綠體色素的含量。實驗材料與學生的現實生活緊密相連，每個實驗之間環環相扣，引導學生探秘真實情境。探究源于真實的問題，每個探究又能激發學生產生新的問題，充分地調動了學生的主觀能動性，提升了學生思維的深度和廣度，為后續光合作用過程的學習打下了堅實的基礎，并幫助學生構架了結構與功能觀和生物與環境相適應的觀念。