高中生物學(xué)拓展實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)踐探索
——以“探究影響葉綠素提取因素實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目為例

周 玲

（浙江省臺(tái)州中學(xué)西校區(qū) 浙江臺(tái)州 317000）

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是當(dāng)今基礎(chǔ)教育改革與實(shí)踐的熱點(diǎn)課題，它能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)與學(xué)科或跨學(xué)科有關(guān)的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題進(jìn)行深入持續(xù)的探究，調(diào)動(dòng)所有知識(shí)、能力、品質(zhì)等創(chuàng)造性地解決新問(wèn)題，形成公開(kāi)成果，對(duì)核心知識(shí)和學(xué)習(xí)歷程產(chǎn)生深刻理解，并能在新情境中進(jìn)行遷移。下文將高中生物學(xué)拓展性實(shí)驗(yàn)作為項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的載體，以“探究影響葉綠素提取因素實(shí)驗(yàn)”為例，介紹項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)踐過(guò)程，以期為同類(lèi)研究和同類(lèi)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的開(kāi)展提供可以參考的案例。

1 項(xiàng)目學(xué)習(xí)規(guī)劃

1.1 項(xiàng)目的提出

“葉綠體色素提取和分離”是屬于重要概念“說(shuō)明植物細(xì)胞的葉綠體從太陽(yáng)光中捕獲能量，這些能量在二氧化碳和水轉(zhuǎn)變?yōu)樘穷?lèi)與氧氣的過(guò)程中，轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存為糖分子中的化學(xué)能”的內(nèi)容，在次位概念“細(xì)胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞的特定區(qū)域”的基礎(chǔ)上形成，支撐大概念“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)”。為幫助學(xué)生達(dá)成對(duì)大概念的理解，提取和分離葉綠體色素實(shí)驗(yàn)是一個(gè)必須開(kāi)展的教學(xué)活動(dòng)。

此前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“光合作用”相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行了“葉綠體色素的提取分離”實(shí)驗(yàn)，有一定的知識(shí)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技能，且對(duì)色素提取分離感到好奇。教師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸拓展，以期幫助學(xué)生深刻理解光合作用核心概念，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。

如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生親歷完整的探究過(guò)程，利用實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題，在提高實(shí)驗(yàn)操作能力的同時(shí)促進(jìn)核心素養(yǎng)全面發(fā)展，是一個(gè)很值得研究的問(wèn)題。教師通過(guò)查閱資料獲知葉綠素的作用很廣，且學(xué)生有濃厚興趣進(jìn)一步探究葉綠素相關(guān)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，教師組織學(xué)生開(kāi)展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，探究影響葉綠素提取的因素。

1.2 項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的目標(biāo)

高一學(xué)生經(jīng)過(guò)初中科學(xué)的學(xué)習(xí)，有了一定的科學(xué)思維和自主探究能力，但缺乏科學(xué)探究中深度學(xué)習(xí)的體驗(yàn)，設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)的能力和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力有待提高。結(jié)合學(xué)生的學(xué)情和《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求，聚焦需要落實(shí)的核心概念和學(xué)科核心素養(yǎng)，綜合分析確定本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)如下：

①能根據(jù)已有的生物學(xué)知識(shí)以及生活經(jīng)驗(yàn)，提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題；通過(guò)查閱文獻(xiàn)和預(yù)實(shí)驗(yàn)，小組討論確定影響葉綠素提取的因素，形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”、“物質(zhì)與能量觀”等生命觀念。

②能根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活情境中感興趣的問(wèn)題設(shè)計(jì)具體研究方案，實(shí)踐、修改、再實(shí)踐；通過(guò)小組討論和預(yù)實(shí)驗(yàn)確定各影響因素的研究維度；能夠根據(jù)設(shè)計(jì)的方案控制實(shí)驗(yàn)條件，與他人合作完成探究過(guò)程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，提升實(shí)驗(yàn)操作技能以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理能力。

③運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、批判性思維與創(chuàng)造性思維等推動(dòng)研究的進(jìn)行，分析各影響因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到科學(xué)的研究結(jié)論，并以書(shū)面形式展示研究過(guò)程、結(jié)果和結(jié)論，提升問(wèn)題解決能力。

④體驗(yàn)探索的過(guò)程和克服困難迎難而上的過(guò)程；在分工、合作和分享中提升團(tuán)隊(duì)合作能力，促進(jìn)個(gè)人和團(tuán)體共同成長(zhǎng)。

1.3 項(xiàng)目的流程

《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》指出，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要遵循學(xué)科特點(diǎn)，積極推動(dòng)學(xué)生開(kāi)展研究型、任務(wù)型、項(xiàng)目化、問(wèn)題式、合作式學(xué)習(xí)。鼓勵(lì)學(xué)校向?qū)W生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，方便學(xué)生利用課余時(shí)間，以獨(dú)立或小組合作方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究。本項(xiàng)目由生物學(xué)興趣小組同學(xué)利用課外時(shí)間在生物創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室完成。

本項(xiàng)目的教學(xué)流程包括項(xiàng)目策劃、項(xiàng)目實(shí)施和項(xiàng)目評(píng)價(jià)三個(gè)環(huán)節(jié)。每一個(gè)環(huán)節(jié)都設(shè)計(jì)了任務(wù)，并針對(duì)任務(wù)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的學(xué)生活動(dòng)和評(píng)價(jià)要求。項(xiàng)目整體教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目化教學(xué)流程

2 項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐

2.1 選擇提取材料，確定影響因素及其梯度

教師引導(dǎo)學(xué)生在踐行綠色生態(tài)理念的基礎(chǔ)上，充分利用身邊資源選擇提取材料。學(xué)生查閱資料獲知，空心蓮子草葉綠素含量很高且在當(dāng)?shù)胤植紡V泛，但是造成了一定的生態(tài)危害，因此選擇空心蓮子草作為提取葉綠素的材料。

中學(xué)教材里的提取劑基本上都采用體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇。興趣小組學(xué)生查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，石油醚、乙醚等醚類(lèi)能夠提高類(lèi)胡蘿卜素的提取效率，色素在甲醇中的溶解度比丙酮好，但石油醚和甲醇對(duì)人體有害。因此，學(xué)生通過(guò)小組討論決定選用體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇和80%丙酮作為提取劑，通過(guò)實(shí)踐和修改的不斷迭代，最后確定丙酮∶乙醇=1∶1溶液、丙酮∶乙醇=1∶2溶液、丙酮∶乙醇=2∶1溶液和95%乙醇溶液這四種不同的溶液為提取溶劑，選擇料液比為1∶50、1∶40、1∶30、1∶20和1∶10，提取時(shí)間為1 h、2 h、4 h、6 h、8 h，提取溫度為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃分別開(kāi)展研究。

2.2 探究影響葉綠素提取的因素

學(xué)生查閱多方資料，分小組討論交流，最后確定統(tǒng)一研究方案如圖2所示。

圖2 葉綠素提取方案

其中，學(xué)生查閱資料獲知，利用葉綠素提取液對(duì)可見(jiàn)光譜的吸收性能，應(yīng)在663 nm和645 nm處測(cè)定空心蓮子草葉綠素提取液的吸光度（A）并利用Arnon法公式計(jì)算葉綠素質(zhì)量濃度。

在項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出新的見(jiàn)解。例如，學(xué)生在過(guò)濾色素提取液時(shí)發(fā)現(xiàn)耗時(shí)太長(zhǎng)，提出能否縮短過(guò)濾時(shí)間。經(jīng)過(guò)查閱資料，學(xué)生獲悉可以通過(guò)抽濾的方法減少過(guò)濾時(shí)間。在測(cè)定提取液的吸光度時(shí)，有學(xué)生嘗試在其他波長(zhǎng)處測(cè)吸光度，進(jìn)一步證明了分光光度計(jì)測(cè)定葉綠素含量的原理。

各組采用表格形式對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并用坐標(biāo)曲線圖和柱形圖呈現(xiàn)最后數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，葉綠素的提取得率在80%丙酮溶液中最高。同時(shí)，當(dāng)提取溫度在40℃以下時(shí)，空心蓮子草的葉綠素提取得率隨著溫度的升高而增加，在40℃到60℃之間提取得率變化不明顯，在60℃以上時(shí)，提取得率顯著降低。最后，空心蓮子草的葉綠素提取得率在料液比大于1∶30時(shí)明顯下降，在小于1∶30時(shí)趨于平穩(wěn)。

2.3 展示項(xiàng)目成果，交流互評(píng)

本項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)，在空心蓮子草葉綠素提取實(shí)驗(yàn)中，提取時(shí)間1 h，液料比1∶30，40℃水浴加熱提取的實(shí)驗(yàn)條件為宜。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，小組分別寫(xiě)出各自研究部分的報(bào)告并制作PPT進(jìn)行匯報(bào)展示。匯報(bào)結(jié)束后，指導(dǎo)教師和其他組成員進(jìn)行提問(wèn)。教師的提問(wèn)聚焦在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)培育上，如針對(duì)“提取溫度達(dá)到60℃之后隨溫度升高空心蓮子草葉綠素得率下降”的現(xiàn)象，教師引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)與功能觀上去思考其中的原因。最后，綜合各組研究結(jié)果，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人寫(xiě)出綜合報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括選題目的、研究過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、討論結(jié)論及建議和收獲與體會(huì)五個(gè)方面，并參與項(xiàng)目化學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐評(píng)比。在評(píng)比中獲取的優(yōu)異成績(jī)進(jìn)一步激勵(lì)了學(xué)生探索的欲望，鞏固了學(xué)生習(xí)得的核心素養(yǎng)。

展示交流是提高學(xué)生分析能力的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)組內(nèi)討論，組間交流，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)或創(chuàng)新提出自己的看法，如：建議高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)“葉綠體色素提取與分離實(shí)驗(yàn)”選擇磨碎成粉末的空心蓮子草作為色素提取材料；建議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拓展，如進(jìn)一步研究如何將青菜保綠，如何使植物標(biāo)本長(zhǎng)時(shí)間保持綠色等等。

3 反思與提升

3.1 課堂教學(xué)的延伸，有助于加深對(duì)理論的理解

“探究影響葉綠素提取因素”實(shí)驗(yàn)是對(duì)光合作用知識(shí)的延伸。以高中生物學(xué)拓展實(shí)驗(yàn)為載體進(jìn)行項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，由課內(nèi)延伸到課外，是對(duì)高中生物學(xué)課程學(xué)科本質(zhì)和學(xué)科能力的深度挖掘，從根本上改善課程學(xué)習(xí)中機(jī)械性記憶實(shí)驗(yàn)和重復(fù)性訓(xùn)練知識(shí)的現(xiàn)象，有助于提升學(xué)生的關(guān)鍵能力，培養(yǎng)生物學(xué)核心素養(yǎng)。教師可整體規(guī)劃，統(tǒng)籌安排課時(shí)，以拓展實(shí)驗(yàn)為載體進(jìn)行項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，也可與校本選修課相結(jié)合。教師授課前需充分查閱資料，熟悉相關(guān)知識(shí)，便于在整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中的正確引導(dǎo)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.2 提高了學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題的能力。

生物學(xué)課程要求學(xué)生主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)，在親歷提出問(wèn)題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過(guò)程中習(xí)得生物學(xué)知識(shí)，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。高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的主陣地，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、親歷科學(xué)探究過(guò)程，在逐步摸索實(shí)踐過(guò)程中完善項(xiàng)目，提高了小組合作通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題的能力。

3.3 項(xiàng)目化學(xué)習(xí)能激發(fā)學(xué)生更主動(dòng)地投入學(xué)習(xí)中

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是一個(gè)有意義的學(xué)習(xí)過(guò)程，將原本枯燥的模仿實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑魬?zhàn)性的項(xiàng)目進(jìn)行學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生深入思考進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，小組內(nèi)每位成員相互合作，根據(jù)各自特長(zhǎng)分工合作，學(xué)生能體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展，學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性提高。此外，學(xué)生主動(dòng)查閱資料，知道了葉綠素可補(bǔ)充人體血紅蛋白，提高血液含氧量和恢復(fù)精力等等知識(shí)。最后，在討論中，教師與學(xué)生將焦點(diǎn)聚焦在如何讓葉綠素更好地服務(wù)人類(lèi)，將生物學(xué)學(xué)習(xí)與“立德樹(shù)人”有機(jī)融合，提高社會(huì)責(zé)任意識(shí)，促進(jìn)核心素養(yǎng)的提升。