基于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
——以“葉綠體色素提取和分離”實(shí)驗(yàn)的拓展為例

殷亞妮

(江蘇省南京師范大學(xué)附屬中學(xué) 南京 210003)

1 科學(xué)探究核心素養(yǎng)的要求

科學(xué)探究是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是指學(xué)生發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對(duì)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(duì)結(jié)果的交流與討論的能力。依據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”)，高中階段學(xué)生應(yīng)達(dá)到的“科學(xué)探究”核心素養(yǎng)由低到高，共四個(gè)水平層次(表1)。

表1 新課標(biāo)中“科學(xué)探究”素養(yǎng)的水平劃分

從表1可見，高中學(xué)生生物學(xué)科學(xué)探究能力要求的起點(diǎn)是“能規(guī)范實(shí)施給定方案，得出所給定問題的結(jié)論”，最終要達(dá)到“在現(xiàn)實(shí)中發(fā)現(xiàn)有效問題，并能根據(jù)條件設(shè)計(jì)可行的方案，實(shí)施方案得出合理結(jié)論”。在此過程中，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能、分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的能力也在不斷加強(qiáng)。在高中生物學(xué)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的最佳方式。然而，當(dāng)前生物學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)，一是定性實(shí)驗(yàn)多，重現(xiàn)象觀察，輕數(shù)據(jù)收集和分析；二是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)多，問題和方案均已給定，學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和探究的機(jī)會(huì)少；三是實(shí)驗(yàn)工作量少，學(xué)生單人即可完成實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生溝通合作的能力。因此要使學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)得到真正發(fā)展，要將教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)拓展，如變定性實(shí)驗(yàn)為定量實(shí)驗(yàn)，讓數(shù)據(jù)收集與分析成為必需，讓團(tuán)隊(duì)合作和交流成為必要；變驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)成為必然。

2 實(shí)驗(yàn)拓展

2.1 教材實(shí)驗(yàn)分析 “葉綠體色素提取和分離”是高中生物學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)有教材中，這是一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)教材的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，最終層析得到葉綠體的四種色素條帶。學(xué)生能掌握提取和分離色素的原理和具體的操作方法，證實(shí)葉綠體中光合作用色素的存在。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，從新課標(biāo)對(duì)科學(xué)探究水平要求看，屬于水平一的要求。光合作用的內(nèi)容，不僅涉及物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換等生物學(xué)機(jī)理，也涉及到環(huán)境因素對(duì)光合作用影響以及在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用等。因此，光合作用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)可以設(shè)計(jì)成為適合更高水平層次要求的探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2.2 拓展一 測(cè)量葉片中各種光合色素含量 紙層析得到的色素條帶僅能大略反映葉綠素含量多于類胡蘿卜素，但無法告知每種色素的具體含量，怎樣測(cè)出葉片中各種色素的具體含量呢？

2.2.1 介紹收集數(shù)據(jù)的新方法——分光光度法 某物質(zhì)的溶液在特定波長(zhǎng)(該物質(zhì)的最大吸收波長(zhǎng))光照下的吸光度值與溶液中該物質(zhì)的濃度具有一定的比例關(guān)系，因此可以通過測(cè)量溶液的吸光度值計(jì)算溶液濃度，這種方法叫作分光光度法。

以95%乙醇為提取液，在不分離葉綠體色素提取液中各色素的情況下，分別測(cè)定665 nm、 649 nm(分別是葉綠素a和葉綠素b在紅光區(qū)的吸收峰)和470 nm的吸光度數(shù)值，可由下列公式計(jì)算出提取液中葉綠素a(Ca)、葉綠素b(Cb)和類胡蘿卜素(Cxc)的濃度(單位為mg/L)。

Ca=13.95A665-6.88A649

Cb=24.96A649-6.88A665

CXC=(1000A470-2.05Ca)/245

2.2.2 指導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案 學(xué)生已學(xué)習(xí)了提取葉綠體色素的方法，再結(jié)合可以測(cè)出溶液中色素濃度的分光光度法，可以設(shè)計(jì)出初步方案(表2)。

該拓展實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是定量，實(shí)驗(yàn)最終目的是得到單位質(zhì)量葉片中色素的質(zhì)量，這需要通過測(cè)量或計(jì)算得到葉片的質(zhì)量及其提取出的各種色素的全部質(zhì)量?；诖?，表2所示的學(xué)生初步方案存在不足之處，需要改進(jìn)，如： 在研磨前稱量葉片質(zhì)量，過濾后測(cè)量濾液體積。濾液中色素濃度的測(cè)量尤為關(guān)鍵，為減少誤差需要將葉片中所有色素都收集到濾液中，即所有存在色素殘留的用具和材料都要充分潤(rùn)洗和過濾。另分光光度計(jì)是根據(jù)溶液的吸光度值估算色素濃度的，若濾液中存在其他非色素雜質(zhì)(CaCO3等)會(huì)影響結(jié)果準(zhǔn)確性，因此孔徑較大的尼龍紗布不適于過濾提取液，需換作濾紙。

教師提供所需儀器、試劑，但用50 mL棕色容量瓶代替量筒，鍛煉學(xué)生根據(jù)實(shí)際條件調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)施實(shí)驗(yàn)的能力。有了容量瓶，學(xué)生只需通過添加提取液將濾液總體積定容到50 mL即可，無需測(cè)量體積，且計(jì)算更簡(jiǎn)便；由此延伸，為方便計(jì)算,可考慮稱取定量葉片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生經(jīng)過小組討論確定最終實(shí)驗(yàn)方案(表2)。

表2 測(cè)量葉片中色素含量的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2.3 學(xué)生實(shí)施方案并交流結(jié)果 學(xué)生以小組為單位完成實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)果(表3)，從表中可以看到，菠菜葉片中光合色素的含量是葉綠素a>葉綠素b>類胡蘿卜素。

表3 不同小組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(單位： mg/g)

學(xué)生發(fā)現(xiàn)彼此的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不盡相同，有些甚至存在顯著差異，教師啟發(fā)學(xué)生思考并討論造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異的原因，可能是由于個(gè)體的實(shí)驗(yàn)操作差異，更可能是所選用實(shí)驗(yàn)材料不同，色素含量本就存在差異。針對(duì)這個(gè)問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探索。

2.3 拓展二 探究不同葉齡葉片中光合色素含量的差異 通過觀察不同葉齡菠菜葉片的顏色，學(xué)生發(fā)現(xiàn)最中心的幼嫩葉片綠色較淺并泛黃色，由內(nèi)向外，葉片逐漸成熟，面積增大且顏色逐漸變?yōu)樯罹G色，他們會(huì)形成一個(gè)直觀印象，即隨著葉片葉齡的增加，葉片中各種色素的量也在不斷變化。那么究竟是怎樣變化的呢？學(xué)生提出“探究不同葉齡葉片中各種色素含量的差異”，在拓展一中學(xué)生已經(jīng)掌握了測(cè)量葉片中各種色素含量的方法，此探究是可行的。

2.3.1 設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案 在該探究實(shí)驗(yàn)中，自變量是葉片的葉齡，因變量是提取到的各種色素的質(zhì)量，學(xué)生需要設(shè)置3組平行對(duì)照，實(shí)驗(yàn)材料(圖1)分別選用中心區(qū)幼嫩葉片、中間區(qū)的中等成熟葉片、靠外區(qū)的成熟大葉片(注： 枯黃衰老的葉片棄掉，或者也可考慮將其單獨(dú)設(shè)為一組)。其他操作都和拓展一實(shí)驗(yàn)步驟相同。

圖1 分組實(shí)驗(yàn)所選擇的不同葉齡葉片

2.3.2 實(shí)施方案并交流結(jié)果 為排除無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，拓展二中的三組操作需要同時(shí)進(jìn)行，學(xué)生個(gè)人無法完成實(shí)驗(yàn)，必須以小組為單位實(shí)施實(shí)驗(yàn)，且小組內(nèi)要溝通協(xié)調(diào)好，有助于發(fā)展學(xué)生與人合作進(jìn)行探究活動(dòng)的能力。

學(xué)生收集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過運(yùn)算得出菠菜不同葉齡葉片中各種色素的含量(表4)，通過對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論： ①不同葉齡的菠菜葉片，葉綠素含量都顯著高于類胡蘿卜素；②幼嫩葉片中，葉綠素a和葉綠素b含量相當(dāng)，而類胡蘿卜素含量極低；③中等成熟及成熟葉片中葉綠素a含量顯著多于葉綠素b，類胡蘿卜素含量最低。教師可啟發(fā)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋不同葉齡葉片的顏色差異，如幼嫩葉片因?yàn)槿~綠素b占比大，所以呈現(xiàn)黃綠色，而成熟葉片中葉綠素總量增加特別是葉綠素a含量遠(yuǎn)大于其他色素含量，故呈現(xiàn)深綠色。

表4 不同葉齡的菠菜葉片中各種色素的含量(單位： mg/g)

教師可進(jìn)一步要求學(xué)生將數(shù)據(jù)以更直觀的形式展現(xiàn)，如分別以葉齡、色素含量為橫、縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)圖，繪制曲線(圖2)，曲線圖屬于數(shù)學(xué)模型，以數(shù)學(xué)方法分析和展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是新課標(biāo)對(duì)科學(xué)探究中數(shù)據(jù)處理的最高要求水平，這不僅能夠提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析處理能力，而且有助于學(xué)生解讀數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律。

圖2 各種色素含量與菠菜葉片葉齡的關(guān)系

據(jù)圖可知，葉片發(fā)育成熟過程中，葉綠素(特別是葉綠素a)含量顯著增加，葉綠素b含量略有增加，而類胡蘿卜素含量雖有顯著增加，但遠(yuǎn)低于葉綠素，約占色素總量的1/6～1/7。學(xué)生通過交流討論和查閱資料,推測(cè)葉綠素的變化應(yīng)該與光照有關(guān)，因?yàn)楣馐怯绊懭~綠素形成的主要因素，剛萌出的幼嫩葉片葉綠素含量較少，但在接受了充分光照后葉綠素會(huì)顯著增加；此外,在光合作用中葉綠素a有其他光合色素所不具備的轉(zhuǎn)化光能的功能，正常葉片中葉綠素a含量最多，是葉綠素b含量的3倍左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此基本相符。

3 反思與體會(huì)

將教材中的定性實(shí)驗(yàn)拓展為定量實(shí)驗(yàn)，大大拓寬了可探究問題的范圍。本文中，能測(cè)量色素濃度，學(xué)生才能進(jìn)一步探究隨葉片的生長(zhǎng)發(fā)育，各種色素含量的變化趨勢(shì)，不僅可以鍛煉學(xué)生分析處理數(shù)據(jù)的能力，更能激發(fā)學(xué)生自主探究的興趣，并在探究中催生新的探究問題。學(xué)生在探究過程中，逐步增強(qiáng)對(duì)自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學(xué)探究的基本方法，提高實(shí)踐能力。

本文實(shí)驗(yàn)還可以考慮向其他方向拓展，如探究不同種類植物葉片色素含量差異，探究研磨中加入的CaCO3對(duì)不同色素的保護(hù)作用，以及根據(jù)濾紙上的色素條帶一段時(shí)間后會(huì)淡化消失，教師可啟發(fā)學(xué)生探究光對(duì)色素的影響等。

實(shí)際教學(xué)中課時(shí)有限，很難在課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拓展，一方面可以利用選修課、社團(tuán)課或研究性學(xué)習(xí)等時(shí)間開展，另一方面可以提供背景知識(shí)，僅讓學(xué)生去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并討論完善方案。