生物學(xué)科核心素養(yǎng)下的跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)案例探究

摘 要：高中生物實(shí)驗(yàn)《綠葉中色素的提取和分離》一節(jié)中，采用基于核心素養(yǎng)下的高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生積極參與，在教師的啟發(fā)和引導(dǎo)下對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究式改進(jìn)，在生物實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用其他學(xué)科的知識(shí)概念或?qū)嶒?yàn)方法，以學(xué)生為主體，加深理解或完成改進(jìn)過(guò)程，從而提升學(xué)生的生物核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);跨學(xué)科;實(shí)驗(yàn)探究

生物是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，高中生物教學(xué)與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系密切。近幾年，隨著生物學(xué)科素養(yǎng)的提出，生物實(shí)驗(yàn)也越來(lái)越受到重視，高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)也逐漸由傳統(tǒng)知識(shí)的傳授轉(zhuǎn)向注重學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，更能發(fā)揮其主體地位。通過(guò)自己動(dòng)手，合作探究，理性分析，理解教材中的基礎(chǔ)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作中的問(wèn)題，分析解決各種疑問(wèn)。這樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程能更好的詮釋生物學(xué)科核心素養(yǎng)中的生命觀念，理性思維，科學(xué)探究能力及社會(huì)責(zé)任，尤其是理性思維，科學(xué)探究能力兩個(gè)方面。新課程改革中，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也在強(qiáng)調(diào)，在培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的前提下，要提高學(xué)科間的聯(lián)系，重視學(xué)生對(duì)跨學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)和整合能力[1]。下面以高中生物實(shí)驗(yàn)《綠葉中色素的提取和分離》為例，闡述在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)反復(fù)思考，探究改進(jìn)，將跨學(xué)科知識(shí)整理融合，從而落實(shí)核心素養(yǎng)的要求。

一、學(xué)科之間知識(shí)遞進(jìn)，構(gòu)筑科學(xué)生命觀念

生命觀念是生物學(xué)核心素養(yǎng)的標(biāo)志性方面，也是學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)是否達(dá)成了一個(gè)重要指標(biāo)，是能夠理解或解釋相關(guān)事件和現(xiàn)象的品格和能力。發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，并希望學(xué)生身心健康，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)真正掌握生物學(xué)概念，找到學(xué)習(xí)的竅門，并在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中構(gòu)筑科學(xué)生命觀念。

學(xué)生在初中化學(xué)中學(xué)過(guò)溶解度的概念，但始終是停留在概念和計(jì)算數(shù)據(jù)的層次上，在本次實(shí)驗(yàn)用層析液對(duì)各種色素進(jìn)行層析時(shí)，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(kuò)散得快，反之則慢。這樣幾分鐘之后，濾液中的色素就會(huì)隨著層析液在濾紙上的擴(kuò)散而分離開(kāi)?！蓖ㄟ^(guò)層析的過(guò)程，學(xué)生可以在短短幾分鐘親眼見(jiàn)證因溶解度大小差異而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這樣學(xué)生就能更深刻的理解化學(xué)學(xué)科的名詞一一溶解度。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也會(huì)被激發(fā)，從而形成樂(lè)觀向上的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)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(xué)科知識(shí)的交叉運(yùn)用促進(jìn)學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維是任何一個(gè)學(xué)科實(shí)驗(yàn)必須遵循的思路，也是學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的前提。學(xué)生通過(guò)主動(dòng)思考和探索求知，最終會(huì)達(dá)到對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題。而這一過(guò)程的實(shí)施，往往需要多學(xué)科的滲透，通過(guò)學(xué)科之間的聯(lián)系，解決跨學(xué)科的問(wèn)題。因而，在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)更好地培養(yǎng)學(xué)生積極求證、先知后行的科學(xué)精神，提升學(xué)生的理性思維能力。

在本實(shí)驗(yàn)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(wú)水乙醇，通過(guò)研磨，讓色素溶解在無(wú)水乙醇中。因?yàn)樾迈r葉片含水量比較高，會(huì)導(dǎo)致色素的相對(duì)濃度下降，同時(shí)，因?yàn)檠心ミ^(guò)程中色的選材和操作者操作的差異，也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)色素的提取結(jié)果出現(xiàn)較大差異，而且點(diǎn)樣時(shí)也容易印染，導(dǎo)致色素分離不明顯。如圖1所示。

針對(duì)以上情況，學(xué)生提出了兩種改進(jìn)意見(jiàn)。

方法一，先將鮮葉在烘箱中烘干，干燥之后用料理機(jī)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，尤其是針對(duì)一個(gè)班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且所獲得的溶液色素含量更高，而且可以不局限于時(shí)間季節(jié)獲取實(shí)驗(yàn)材料。

方法二，在原裝置的基礎(chǔ)上，將提取液在水浴環(huán)境中進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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?cái)U(kuò)散的情況也有了很大改善。如圖2所示。

通過(guò)色素提取這一改進(jìn)過(guò)程，學(xué)生能考慮到新鮮葉片水分含量高會(huì)影響色素濃度，從而想辦法減少水分，能敏銳地選擇烘干設(shè)備和粉碎設(shè)備，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn);也能通過(guò)化學(xué)的操作手段——水浴加熱，來(lái)提高色素在無(wú)水乙醇中的溶解量。這兩種不同途徑的改進(jìn)方式們首先來(lái)自于學(xué)生扎實(shí)的學(xué)科知識(shí)積累，更重要的是能從同一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不同角度出發(fā)，來(lái)找到解決問(wèn)題的途徑，將跨學(xué)科知識(shí)的交叉應(yīng)用發(fā)揮得淋漓盡致，多維度提升了學(xué)生的科學(xué)思維。

三、跨學(xué)科知識(shí)的運(yùn)用促進(jìn)學(xué)生深化科學(xué)探究

科學(xué)探究是學(xué)生學(xué)習(xí)的一種重要方式，尤其在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中體現(xiàn)得更為突出。當(dāng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象真實(shí)地展現(xiàn)在學(xué)生面前，而且與學(xué)生的預(yù)期有比較大出入的時(shí)候，學(xué)生能夠大膽質(zhì)疑，在好奇心的驅(qū)使下，學(xué)生會(huì)形成積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，在不夠理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果面前，反思，討論，運(yùn)用其他學(xué)科的既成知識(shí)，大膽解決生物實(shí)驗(yàn)中的小問(wèn)題。在事實(shí)分析和知識(shí)運(yùn)用過(guò)程中，培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維，創(chuàng)造性思維。學(xué)生也會(huì)因?yàn)橥ㄟ^(guò)自己的智慧改進(jìn)教材上的實(shí)驗(yàn)而獲得極高的成就感，進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情和積極性。

在完成本實(shí)驗(yàn)后，同學(xué)們期待用實(shí)驗(yàn)中的提取液，通過(guò)三棱鏡直接分光來(lái)觀察色素的吸收光譜，但在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是自然光源還是LED光源，反反復(fù)復(fù)實(shí)驗(yàn)，都很難得到完整的吸收光譜圖。通過(guò)學(xué)生查閱大量資料，發(fā)現(xiàn)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(xué)科的分光光譜儀來(lái)顯示色素吸收光譜就相對(duì)容易，在使用UV-紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)，調(diào)節(jié)透光度為100%，95%乙醇作為溶劑的前提下，放入待測(cè)液就能得到相對(duì)完整的吸收光譜圖。

四、跨學(xué)科知識(shí)的運(yùn)用促進(jìn)學(xué)生增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任

社會(huì)責(zé)任是生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要目標(biāo)，它是指將生物學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)融入社會(huì)的相關(guān)事務(wù)中去討論，作出理性的解釋和判斷，并嘗試解決生產(chǎn)生活中的生物學(xué)問(wèn)題。高中生物課本中許多課程都與生活有著密切的聯(lián)系。教師通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，有針對(duì)性的引導(dǎo)學(xué)生討論，并做出理性見(jiàn)解，這是培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任的重要途徑。這些涉及生物學(xué)知識(shí)的社會(huì)科學(xué)相關(guān)內(nèi)容，也是進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)的重要教學(xué)資源。

本實(shí)驗(yàn)在分組時(shí)，我們將學(xué)生分為兩組，分別對(duì)黃葉和綠葉中的色素種類及含量進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)分析。學(xué)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(fā)生的改變。在面臨一些相似的農(nóng)業(yè)、作物、花卉等的黃葉情況，學(xué)生也能做出簡(jiǎn)單的判斷。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉麗，（1982—），女，湖北石首，漢族，一級(jí)教師，本科，研究方向：生物學(xué)

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