基于核心素養(yǎng)的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)科交叉教學(xué)
——以“葉綠體色素的提取和分離”為例*

李貝貝 李宗蕓

（江蘇師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 江蘇徐州 221000）

在競爭日益激烈的新時(shí)代背景下，對新型人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課程標(biāo)準(zhǔn)”）中提出“生物學(xué)課程要求學(xué)生主動地參與學(xué)習(xí)，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐能力”。隨著基礎(chǔ)教育課程改革的不斷深化，傳統(tǒng)的分科教學(xué)雖然有利于構(gòu)建系統(tǒng)、全面、完整的知識體系，但其弊端難以忽視，致使學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)，缺乏綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力。江蘇省的“3+1+2”新高考政策已經(jīng)施行，但在目前分科教學(xué)的大環(huán)境下，不同學(xué)科知識間的相互交叉滲透越發(fā)重要。

1 在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)科交叉

生物學(xué)是自然科學(xué)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科，“新課程標(biāo)準(zhǔn)”中著重強(qiáng)調(diào)要發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，其中的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力是學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的基礎(chǔ)，二者相輔相成，相互促進(jìn)，這也是學(xué)習(xí)其他理科的必備能力。而生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的良好載體，學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、親歷科學(xué)探究的一般過程，逐步學(xué)會用科學(xué)思維的方式進(jìn)行自主探究，獨(dú)立解決問題。在進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，無論是實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)材料、還是試劑、工具等，不可避免地涉及其他理科知識。此時(shí)，教師應(yīng)指出學(xué)科交叉知識點(diǎn)，幫助學(xué)生理解本節(jié)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，增強(qiáng)對知識的融會貫通能力，達(dá)到深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)獨(dú)立思考、解決問題的能力，形成創(chuàng)新精神。

以“葉綠體色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)原理、試劑、方法等各方面都涉及化學(xué)等其他學(xué)科知識。因此在課堂上，為了更好地闡釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有必要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行相關(guān)學(xué)科知識的拓展。

1.1 葉綠體色素的提取——“相似相溶”原理 “相似相溶”原理在之前的教學(xué)中就已提及，例如在“物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸”一節(jié)中，脂溶性強(qiáng)的物質(zhì)較容易穿過細(xì)胞膜，這與組成細(xì)胞膜的磷脂的結(jié)構(gòu)有關(guān)，可見理解“相似相溶”原理有助于學(xué)生構(gòu)建物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能觀。“相似相溶”中“相似”是指溶質(zhì)與溶劑在結(jié)構(gòu)上相似，即有相同的官能團(tuán)；“相溶”是指溶質(zhì)與溶劑彼此互溶。因此，“相似相溶”指極性溶劑易溶解極性物質(zhì)，非極性溶劑易溶解非極性物質(zhì)。

在本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，給出葉綠體中各個(gè)色素的化學(xué)分子式，由分子式得到葉綠體中色素的極性大小為：胡蘿卜素極性最小，其次是葉黃素，葉綠素極性最大（葉綠素a 和葉綠素b 在結(jié)構(gòu)上的差別很?。Ｔ谔崛∪~綠體中的色素時(shí)，加入少許二氧化硅幫助研磨，以破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，此時(shí)細(xì)胞內(nèi)尤其是液泡內(nèi)的有機(jī)酸被釋放，易破壞葉綠素的結(jié)構(gòu)。葉綠素的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，葉綠素a 與葉綠素b 僅有R 基的不同，它們分子中央含有一個(gè)鎂原子，在酸性環(huán)境下，卟啉環(huán)中的鎂原子被氫取代，成為去鎂葉綠素［1］。因此在提取葉綠素的過程中，加入的碳酸鈣可與酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳和水，進(jìn)而保護(hù)葉綠素。

圖1 葉綠素的分子結(jié)構(gòu)

人教版教材中用無水乙醇作為提取液，以石油醚∶丙酮∶苯=20∶2∶1 的混合有機(jī)溶劑作為層析液。在提取色素的過程中，根據(jù)其極性特點(diǎn)，脂溶性的光合色素更易溶于有機(jī)溶劑，因而用無水乙醇進(jìn)行提取而非水。在分離光合色素時(shí)，層析液同樣為非極性溶劑，各色素的極性不盡相同，在層析液中的溶解度也不同進(jìn)而分開，可推測出葉綠體中色素的溶解度大?。汉}卜素溶解度最大，其次是葉黃素，葉綠素溶解度最小。這為更好地理解層析的原理打下基礎(chǔ)。

1.2 葉綠體色素的分離——層析原理 為了在課堂教學(xué)中簡便地分離葉綠體色素，教材使用紙層析法，紙層析法在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中同樣重要，在“鐵離子和銅離子的分離”實(shí)驗(yàn)中所采用的方法就是紙層析法。紙層析法是層析方法中的一種，本節(jié)實(shí)驗(yàn)是高中學(xué)生第1 次接觸“層析”這個(gè)概念，層析包含的內(nèi)容很復(fù)雜，無論哪種層析方法，都有其固定相與流動相。紙層析法的固定相是濾紙纖維上吸附的水分，流動相是層析液，當(dāng)層析液沿著濾紙上的毛細(xì)管進(jìn)行流動時(shí)，濾液細(xì)線中的各色素組分會隨著層析液向前流動，在流動的過程中，由于葉綠體中的各色素在流動相和固定相中的溶解度不同，即在流動相和固定相中有不同的分配比。多次分配之后，分配比大的物質(zhì)移動快，反之則慢，不同色素得以分離。

考慮到高中學(xué)生的接受能力，先將層析按照操作形式進(jìn)行劃分，分為紙層析、柱層析和薄層層析3 種。紙層析法操作簡單，材料易得，適用于高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可分為上升紙層析法和徑向紙層析法（圖2）。教材中使用上升紙層析法，在濾紙條上畫一條細(xì)而直的濾液細(xì)線，垂直插入層析液中，層析液利用毛細(xì)現(xiàn)象沿著濾紙上升；徑向紙層析法的分離介質(zhì)也是濾紙，將層析液倒在培養(yǎng)皿中，在圓形濾紙中央戳一個(gè)小洞，卷一小節(jié)濾紙卷插進(jìn)小洞，濾紙卷下段浸入層析液中，用毛細(xì)吸管吸取少量濾液，在距圓形濾紙中心1 cm 左右均勻點(diǎn)樣畫一個(gè)圓環(huán)。層析液沿著圓形濾紙擴(kuò)散形成大小不一、顏色不一的色環(huán)，為了減少層析液揮發(fā)，可在濾紙上蓋一個(gè)培養(yǎng)皿［2］。如果學(xué)校條件允許，可使用硅膠層析板代替濾紙的薄層層析，薄層層析在分離葉綠體色素時(shí)，靈敏度高，分離效果更好，還可通過計(jì)算比移值進(jìn)行定量比較。

圖2 上升紙層析法（左）和徑向紙層析法（右）

1.3 燈光照射色素提取液——熒光現(xiàn)象 用燈光照射試管中的色素提取液，會發(fā)現(xiàn)葉綠體色素在透射光下呈綠色，在反射光下呈紅色，即產(chǎn)生了熒光現(xiàn)象［3］，熒光的原理屬于高中物理學(xué)“原子結(jié)構(gòu)”一章的內(nèi)容。在圖3中，學(xué)生乙觀察到綠色，由于葉綠體色素主要吸收紅光和藍(lán)紫光，吸收的綠光最少，所以觀察到的為綠色透射光。學(xué)生甲觀察到紅光，是葉綠體色素分子吸收能量、受激發(fā)后所產(chǎn)生的發(fā)射光譜。葉綠體色素分子原本處于最穩(wěn)定的、能量最低的基態(tài)，吸收一定能量的光子之后，被激發(fā)到一個(gè)不穩(wěn)定的、高能量的激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，很容易返回基態(tài)，因此發(fā)射熒光，放出多余的能量，迅速由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)。

圖3 觀察熒光現(xiàn)象示意圖

這時(shí)有學(xué)生提出為什么平時(shí)在太陽光下觀察不到熒光現(xiàn)象？這是由于在細(xì)胞中色素分子吸收的光能有3 種去向：放熱、發(fā)熒光和同化二氧化碳，其中同化二氧化碳占了絕大部分的能量，因此發(fā)熒光現(xiàn)象不易觀察到。而試管中的色素提取液破壞了細(xì)胞結(jié)構(gòu)，吸收的光能更多地用于發(fā)熒光，所以能明顯地觀察到熒光現(xiàn)象。

2 結(jié)語

新課程標(biāo)準(zhǔn)中的核心素養(yǎng)是指學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中逐步形成起來的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展與社會發(fā)展的人格品質(zhì)與關(guān)鍵能力。雖然各學(xué)科有學(xué)科核心素養(yǎng)，但核心素養(yǎng)與學(xué)科核心素養(yǎng)之間是全局與局部、共性與特性、抽象與具象的關(guān)系，學(xué)科核心素養(yǎng)之間也不應(yīng)割裂開來，“科學(xué)思維”與“科學(xué)探究”是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)、化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)與物理學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的共同內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的良好載體，教師要充分利用和挖掘每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資源，各學(xué)科的任課教師多溝通，對于學(xué)科交叉部分的教學(xué)進(jìn)行交流討論，協(xié)同促進(jìn)，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，提高創(chuàng)新能力。