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

李小玲 房 璐

（東營市第二中學 山東東營 257000）

學科核心素養(yǎng)指個體在面對復雜的、不確定的現(xiàn)實生活情境時，綜合運用學科觀念、方法、知識與技能解決實際問題所表現(xiàn)出來的必備品格與關(guān)鍵能力。教育部制定的《普通高中生物學課程標準（2017版）》中指出：生物學學科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。學生核心素養(yǎng)的形成并非朝夕之間，需要落實到每一堂課中。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驗”教學為例，闡述如何在實驗教學中滲透生物學學科核心素養(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)系或特性進行解釋后的抽象，是經(jīng)過實證后的想法或觀點，如結(jié)構(gòu)與功能觀、進化與適應觀、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。學生應基于知識的理解，樹立生命觀，并能用生命觀念認識、解釋生命現(xiàn)象。

在學習“色素的提取和分離”之前，學生已經(jīng)學習過葉綠體的結(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，散布在細胞質(zhì)中。課始，教師以高倍顯微鏡下葉綠體的照片導入，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，學生推斷出：葉片呈綠色是因為葉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)學生的求知欲。教師繼而引領學生回顧初中學過的銀邊天竺葵白邊部位無法進行光合作用相關(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，使光合作用能高效進行，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的觀點。這樣使學生進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，指導學生理解生物學概念，促使學生更科學地認識生命現(xiàn)象，并在思考中解釋新面臨的生物學問題，形成生命觀念。

2 基于原理，培養(yǎng)科學思維

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

教師提出問題：該實驗應該如何取材？色素位于細胞內(nèi)，如何才能獲得實驗材料中的色素？獲取色素后應選用哪種提取液？基于高倍鏡下的葉綠體呈綠色，學生易分析應選取綠色葉片，可選擇種類較多，并不僅局限于新鮮綠葉，也可以是風干或烘干的綠葉。教師繼續(xù)追問：色素位于細胞內(nèi)，能否類比制備細胞膜一樣利用吸水脹破的方式獲取色素呢？類比推理應尊重事實，植物細胞具有細胞壁，這樣的生理結(jié)構(gòu)導致無法吸水脹破。教師可以進一步引導學生推理出可用機械方法破壞細胞，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），色素是有機大分子，不溶于水，應該選用什么作為提取液？學生推理可用有機溶劑提取色素，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？科學與生活經(jīng)驗總有千絲萬縷的聯(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散到衛(wèi)生紙上，鼓勵學生大膽想象并運用類比推理的思維方法得出“用有機溶劑作層析液分離色素”。

3 團隊合作，提高科學探究能力

科學探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結(jié)果的交流和討論。

“色素的提取和分離實驗”是一個驗證型實驗，為增強學生科學探究能力，筆者將其設計為探究性實驗。根據(jù)實驗原理，簡介實驗步驟，營造民主的課堂氛圍，讓學生敢于表達觀點，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：探究不同實驗材料對實驗結(jié)果的影響；探究不同提取液對實驗結(jié)果的影響；探究不同層析液對實驗結(jié)果的影響；探究不同畫線方法對實驗結(jié)果的影響。在實驗條件允許的情況下，學生選取可實施的探究課題，分小組自主設計實驗方案，注重思考實驗組與對照組的設計、預期結(jié)果判斷。在教師的指導下，各小組成員合作完成探究實驗，規(guī)范操作技能，每一步操作要科學、嚴謹，將實驗誤差控制在允許范圍內(nèi)。

學生觀察、整理實驗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，鼓勵學生大膽創(chuàng)新，提出自己的改進意見，與組內(nèi)成員進行交流討論，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驗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，該組學生又設計了風干菠菜葉與新鮮菠菜葉、風干蘿卜葉與新鮮蘿卜葉、菠菜葉與韭菜葉的三組實驗。每組實驗至少三次重復，通過反復對比，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。學生深入思考后，提出假設：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。這個假設是否正確，還需要通過實驗來驗證。教師鼓勵學生利用課余時間在實驗室開放日走進實驗室，主動地探究自己的改進方法，得出結(jié)果，形成結(jié)論。有的小組在完成實驗后，創(chuàng)新了實驗方法，如用圓形濾紙進行層析、用白粉筆進行層析、用蘸水筆吸取色素畫濾液細線等，均取得了較好的效果。

學生在進行探究實驗的過程中逐步增強了對自然界中生命現(xiàn)象的好奇心，鍛煉了動手實踐的能力及創(chuàng)新能力，耳濡目染了求實、理性的科學精神，形成尊重事實、敢于質(zhì)疑的科學態(tài)度，學生的創(chuàng)新精神、團隊合作精神于無形中提高。教師在日常實驗課中的引導，對培養(yǎng)學生科學探究起到了潤物細無聲的效果。

4 分析結(jié)果，提升社會責任感

社會責任是指基于生物學的認識，參與個人與社會事務的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題的擔當和能力。

探究實驗結(jié)束后，組內(nèi)所有成員參與討論，以生物學知識為依托，對實驗現(xiàn)象做出合理的判斷和解釋，最終匯總本組實驗結(jié)果、對結(jié)果的解釋、新生成的問題等，并分組匯報進行展示，培養(yǎng)解決問題的能力，并對知識進行延伸。教師引導學生將本節(jié)課的知識與生產(chǎn)實踐聯(lián)系起來，將所學知識用于解決現(xiàn)實生活中的問題。例如，色素捕獲光能以進行光合作用，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？教師引導學生思考綠色植物的直接價值與間接價值，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)學生保護環(huán)境的意識；倡導學生關(guān)注社會議題，促使學生肩負起愛護地球、尊重生命的責任；培養(yǎng)學生解決現(xiàn)實生活問題的社會責任感，促進學生成為健康中國的實踐者和接班人。