基于問題解決的智慧型生物實(shí)驗(yàn)課堂的實(shí)踐研究
——以改進(jìn)和創(chuàng)新“綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)”為例

張 泰

（江蘇省南通第一中學(xué) 江蘇南通 226001）

實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)的基礎(chǔ)，生物學(xué)知識體系的構(gòu)建和發(fā)展離不開實(shí)驗(yàn)的探究，因此培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υ谏飳W(xué)教學(xué)中至關(guān)重要。但是，傳統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂大都開展的是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生按部就班、機(jī)械性操作，就能完成。在整個過程中，學(xué)生缺乏深層次的思考，對實(shí)驗(yàn)原理一知半解，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也無法做出合理的解釋，不能真正培養(yǎng)和提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。這種重結(jié)果而不重過程、重知識灌輸而不重能力培養(yǎng)的教學(xué)，與生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)注重科學(xué)探究、科學(xué)思維的理念是背道而馳的。可見，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然還是生物學(xué)教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)?；趩栴}解決的智慧型實(shí)驗(yàn)課堂以實(shí)際問題或真實(shí)的科學(xué)研究為素材來創(chuàng)設(shè)探究情境，既符合學(xué)生的認(rèn)知水平又能高效調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。同時，依托于現(xiàn)代信息技術(shù)手段的支持，學(xué)習(xí)資源的傳送、交流平臺的搭建快速便捷，教學(xué)反饋、學(xué)生展示及時全面，課堂更加智能高效。下面以改進(jìn)和創(chuàng)新“綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)”為例，介紹教學(xué)實(shí)踐中對創(chuàng)建基于問題解決的智慧型生物實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行的初步探究。

1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇及色素分離方法的拓展

為研究不同葉片色素種類的異同，本實(shí)驗(yàn)以菠菜和莧菜葉片作為實(shí)驗(yàn)材料，不僅對綠葉也對其他顏色葉片的色素展開初步研究，同時也為色素分離方法的拓展埋下伏筆。用書本中的紙層析法可以分離出4種脂溶性色素。莧菜葉中的紅色色素主要是花青素，是一種水溶性色素，無法隨層析液在濾紙上擴(kuò)散而分開。活用紙層析法原理，以水為層析液就能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散分離。這樣的拓展既加深了學(xué)生對色素提取和分離原理的認(rèn)知，又促進(jìn)了學(xué)生的科學(xué)思維，更培養(yǎng)了學(xué)生解決真實(shí)問題的能力。

2 層析裝置及實(shí)驗(yàn)操作的改進(jìn)

2.1 層析裝置改進(jìn)

好的實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)便于操作易于成功，達(dá)到事半功倍的效果，讓教學(xué)變得簡單。教材中采用的是條形紙層析法，為達(dá)到減少層析液揮發(fā)的目的，以試管為層析裝置，但試管空間窄而深，易造成濾紙條貼壁，致使實(shí)驗(yàn)效果不佳。本實(shí)驗(yàn)使用了“培養(yǎng)皿—紙捻—圓形濾紙”的層析裝置。圓形濾紙的制備需要用圓規(guī)在圓形濾紙中央畫一個直徑為1 cm的圓（畫濾液細(xì)線用），用筆尖在圓心處鉆一個小孔（插紙捻用）。紙捻的制備是用大小合適的長方形濾紙卷成圓筒狀作捻。層析裝置由一大一小兩個培養(yǎng)皿組成，小培養(yǎng)皿盛裝層析液，大培養(yǎng)皿做蓋，實(shí)驗(yàn)過程中層析液沿紙捻上升，在圓形濾紙中心開始向外擴(kuò)散。該裝置中透明的培養(yǎng)皿方便隨時觀察色素的分離情況，且濾液細(xì)線不易觸及層析液，實(shí)驗(yàn)成功率高。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果呈現(xiàn)為不同顏色的同心圓，增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

2.2 色素提取操作及濾液細(xì)線畫法的改進(jìn)

學(xué)生的想法和感受是教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)操作的每一個步驟是否容易做，效果如何都是體現(xiàn)課堂智慧的地方。為了能適當(dāng)降低葉綠素水解酶的活性，研磨前將葉片和提取液置于冰箱冷藏10～15 min。研磨時，如果研磨液一次性全部加入，很多葉片會處于漂浮和懸浮狀態(tài)，給研磨帶來困難。本實(shí)驗(yàn)時先向研缽中加入5 mL無水乙醇，將葉片迅速充分研磨成泥狀，再往葉泥中加入5 mL無水乙醇，快速研磨成糊狀。這樣既充分提取了色素又極大地方便了研磨。教材中用毛細(xì)吸管畫濾液細(xì)線，這易造成濾液細(xì)線畫粗的問題。本實(shí)驗(yàn)采用改“畫”為“印”：使用直徑為1 cm的試管作為“印章”，因其管壁薄，用試管口沾取適量濾液印于鉛筆線上，所畫濾液細(xì)線細(xì)且圓。為了獲得更好效果，可等干后重復(fù)上述操作幾次。

3 結(jié)合日常生活利用智能平板，開展教學(xué)活動

3.1 教師創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入教學(xué)

小到穿衣飲食，大到國家生產(chǎn)發(fā)展，都與生物學(xué)緊密相連。一個來源于學(xué)生日常生活的問題，稍加處理提煉往往就能迅速吸引學(xué)生的注意力，快速將學(xué)生的思維引入教學(xué)活動中。教師以一盤炒莧菜來創(chuàng)設(shè)情境，并設(shè)置一系列問題串導(dǎo)入教學(xué)。教師提問：為什么做出來的莧菜湯是紅色的？一般植物的葉片如菠菜的葉片是什么顏色的？炒菠菜的時候，為什么菠菜湯不是綠色呢？接著，教師帶領(lǐng)學(xué)生開展莧菜和菠菜葉片的色素種類及性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究。

3.2 學(xué)生自主構(gòu)建色素提取及分離的方法

教學(xué)前，教師可依據(jù)既定的教學(xué)目標(biāo)，借助智能平板向所有學(xué)生推送相關(guān)的學(xué)習(xí)資源包，從而啟發(fā)學(xué)生思考，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)效率。課堂上，教師組織學(xué)生對預(yù)習(xí)結(jié)果匯報交流，達(dá)到讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的原理、方法及具體操作的目的，為學(xué)生動手操作及分析結(jié)果做好必要的知識儲備。智能平板可推送文字、圖片、視頻、動畫等多種形式的教學(xué)資源。學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)前，教師使用平板與全班分享生物興趣小組進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的操作視頻。視頻中包含如前所述的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和改進(jìn)，有助于學(xué)生進(jìn)一步明確實(shí)驗(yàn)的步驟要領(lǐng)。

3.3 搭建交流平臺，實(shí)現(xiàn)及時反饋

學(xué)生是教學(xué)的主體，教師應(yīng)尊重他們的思維。在實(shí)驗(yàn)課堂中，學(xué)生時常會因?qū)嶒?yàn)的開展而迸發(fā)出新的想法，提出獨(dú)到的見解。這些想法和見解可能對學(xué)生思維的培養(yǎng)和能力的提高有較大價值。及時發(fā)現(xiàn)并利用這些想法和見解有賴于互動交流平臺的搭建，這正是智慧型生物實(shí)驗(yàn)課堂的優(yōu)勢所在。學(xué)生利用平板的拍照上傳功能，及時將實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種結(jié)果上傳給教師，教師可實(shí)時從中選出具有探究價值的結(jié)果，利用平板中的及時反饋功能分享給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生思考問題背后的原因。分組實(shí)驗(yàn)完成后，教師展示各小組上傳的結(jié)果，各小組分析匯報。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，莧菜組共有5條色素帶，4條色素帶與菠菜組在位置、顏色、寬度上并無明顯差異，但多出一條仍停留在畫線處的紅色色素帶。紅色色素帶為什么沒有移動？它的性質(zhì)與其它四條色素帶一致嗎？針對學(xué)生的疑問，教師從溶解度的角度進(jìn)行引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生提出“這是一種水溶性色素”的假設(shè)。為驗(yàn)證該假設(shè)，學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計相關(guān)實(shí)驗(yàn)并匯報交流，最終提出以水為層析液進(jìn)行紙層析法的方案。學(xué)生隨即開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。智慧型實(shí)驗(yàn)課堂能實(shí)時展示每個小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓展示更加及時充分。借助有效的交流平臺，學(xué)生才能從問題的發(fā)現(xiàn)中產(chǎn)生智慧，才能從問題的解決中提高能力。

針對莧菜葉中的紅色色素，教師進(jìn)一步追問：紅色色素在莧菜葉片細(xì)胞的哪個結(jié)構(gòu)中？它為什么是水溶性的，而不是脂溶性的？學(xué)生分析得出：色素的溶解性要與存在部位的環(huán)境相適應(yīng)。經(jīng)過這一節(jié)課的探究，學(xué)生既解決了生活中遇到的問題，又鋪設(shè)了一條從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題到解決問題的科學(xué)思維路線，從而達(dá)到發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

3.4 課后延伸，拓展思維

課堂是教學(xué)的主陣地，但教學(xué)不能只局限于課堂。實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是如此，因上課時間及課時不足的限制，學(xué)生還有不少想法沒能表達(dá)，不少問題無法解答。這些正是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要切入點(diǎn)。智慧型的生物實(shí)驗(yàn)課堂能很好地將師生之間的交流延續(xù)到課后。本節(jié)課結(jié)束后，學(xué)生可利用“暢言作業(yè)”平臺上的“師生互動”功能，將課上未解決的問題留言給教師。教師對此進(jìn)行個別指導(dǎo)的同時，又能挑選能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的問題推送給全班解決。例如，莧菜葉片中的紅色色素只有一種嗎？如果有多種怎么分離？為什么莧菜葉片中含有大量的紅色色素，它們有什么作用？這樣既能關(guān)注到點(diǎn)，又能顧及到面，還能有效開辟“空中學(xué)習(xí)”這個第二課堂。

基于問題解決的智慧型生物實(shí)驗(yàn)課堂扎根于日常生活，取材于生產(chǎn)實(shí)踐，讓課堂更“親切”。同時，它是依托于新一代的信息技術(shù)手段而打造出來的智能高效課堂，能使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受課堂時空的限制，隨時隨地發(fā)生，極大地豐富了教學(xué)的情境，也能尊重學(xué)生的個性發(fā)展，因材施教，實(shí)現(xiàn)分層教學(xué)。另外，以云平臺為基礎(chǔ)為學(xué)習(xí)提供大量優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，能夠開拓學(xué)生的視野，促進(jìn)學(xué)生的思維，是未來實(shí)驗(yàn)課堂發(fā)展的一個大趨勢。