基于實(shí)驗(yàn)探究的“葉的色彩”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)

楊雪峰

（上海市光明中學(xué) 上海 200021）

1 設(shè)計(jì)思想

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求“高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實(shí)踐經(jīng)歷，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動(dòng)參與的過程，讓學(xué)生積極參與動(dòng)手和動(dòng)腦的活動(dòng)，通過探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)或完成工程任務(wù)，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，進(jìn)而能用科學(xué)的觀點(diǎn)、知識、思路和方法，探討或解決現(xiàn)實(shí)生活中的某些問題”。“葉的色彩”這節(jié)課以現(xiàn)實(shí)生活中的情境為背景，用科學(xué)的思路和方法解決實(shí)際問題的載體。本節(jié)課以實(shí)驗(yàn)探究為主導(dǎo)，以“尋找色素－探究上海秋天的色彩－色素與環(huán)境的關(guān)系”為主線，以學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活中的綠色菠菜葉、黃色銀杏落葉、褐色法國梧桐落葉以及紅色雞爪槭落葉為實(shí)驗(yàn)材料，學(xué)生分組探究不同種植物葉片中葉綠體色素的種類和含量。學(xué)生在實(shí)踐探索過程中，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，逐步樹立物質(zhì)、結(jié)構(gòu)、功能相統(tǒng)一的生命觀念，并感悟“植物體的各種色彩變化是與其環(huán)境相適應(yīng)，是自然選擇的結(jié)果”。

2 教學(xué)目標(biāo)

①能說出葉綠體的結(jié)構(gòu)，能通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷出葉綠體色素的物理性質(zhì)，并能根據(jù)葉綠體色素提取和分離的原理，利用薄膜層析方法探究上海秋天葉片中葉綠體色素的種類和含量。

②能通過分光光度計(jì)法測量菠菜不同部位葉片中葉綠體色素含量，知道色素的作用和與光合作用的關(guān)系。

③能通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)科學(xué)探究的興趣，提升實(shí)驗(yàn)探究能力，培養(yǎng)合作精神。

④能通過分析葉綠素含量與光照強(qiáng)度和溫度的關(guān)系，感悟葉片的色彩變化是對環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入新課

教師展示學(xué)生拍攝的上海秋天的彩色葉片的照片，引出問題：秋天的樹葉為什么色彩炫麗多彩？學(xué)生回答：葉片的色彩與植物細(xì)胞的色素有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：秋天的色彩主要是通過葉片的色彩所體現(xiàn)的。上海秋天葉片風(fēng)景照可吸引學(xué)生的眼球，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)增強(qiáng)美的享受。教師將葉片的色彩與色素的種類和含量相聯(lián)系，可以讓學(xué)生快速聚焦目標(biāo)，找到探究的切入點(diǎn)。

3.2 尋找色素——色素存在的部位，提取色素

教師提出問題：①色素主要存在于植物細(xì)胞的什么細(xì)胞器中？②葉綠體主要存在于哪些細(xì)胞中？③葉綠體色素存在于什么結(jié)構(gòu)上？④如何將葉綠體色素提取出來？學(xué)生按照“植物—葉片—植物細(xì)胞—葉綠體—類囊體—類囊體膜”的順序，從整體到局部、器官到細(xì)胞、細(xì)胞到細(xì)胞器，最終確定葉綠體色素存在的部位。學(xué)生設(shè)計(jì)提取色素的實(shí)驗(yàn)：將綠葉置于不同的溶劑中，以溶解色素。教師提供蒸餾水和無水乙醇兩種試劑。學(xué)生完成“提取葉綠體色素”探究活動(dòng)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出葉綠體色素可用有機(jī)溶劑提取。根據(jù)相似相溶原理，學(xué)生推理出葉綠體色素是脂溶性的。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用多媒體從整體到局部、宏觀到微觀地逐層展示植物結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生建立認(rèn)識。學(xué)生通過簡單的探究活動(dòng)，了解葉綠體色素的物質(zhì)性質(zhì)是脂溶性的，激發(fā)了探究熱情，并為后續(xù)探究葉綠體色素的種類和含量做鋪墊。

3.3 探究上海秋天的色彩

3.3.1 探究活動(dòng)：以聚酰胺薄膜層析法定性探究上海秋天葉片中葉綠體色素的種類

教師提問：怎樣檢測色素的種類和含量？學(xué)生8人一大組，兩人一小組合作探究一個(gè)實(shí)驗(yàn)材料，每個(gè)大組共探究4份植物材料。各大組組內(nèi)比較分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，教師再組織全體學(xué)生分析各種實(shí)驗(yàn)材料的結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

學(xué)生以干燥過的新鮮植物葉片各1 g（不同部位的綠色菠菜葉、黃色銀杏葉、棕黃色法國梧桐葉、紅色雞爪槭葉）為實(shí)驗(yàn)材料，制備葉片勻液，再提取色素上清液（離心機(jī)離心分離），使用薄膜層析法分離色素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：菠菜不同部位的綠葉中都有4種色素，從上到下顏色為黃色、橙黃色、藍(lán)綠色、黃綠色。根據(jù)顏色判斷為葉黃素、胡蘿卜素、葉綠素a、葉綠素b。銀杏葉有葉黃素；法國梧桐葉中有葉黃素和胡蘿卜素；雞爪槭葉的色素帶上有4條，葉綠素的色素帶顏色非常淺，還出現(xiàn)了一條紫色的色素帶。

教師引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)問題。學(xué)生提出的問題有：①為什么雞爪槭葉的色素帶中出現(xiàn)了紫色的色素帶？這是什么色素？②菠菜綠葉有四種色素，為什么葉片呈綠色？菠菜各部分葉色素含量是一樣的嗎？③夏天，銀杏葉、梧桐葉和雞爪槭葉都是綠色的，是什么環(huán)境因素導(dǎo)致秋天葉片缺乏葉綠素？

針對問題①，教師展示雞爪槭的紅色落葉，引導(dǎo)學(xué)生思考原因。學(xué)生判斷紫色帶是液泡中的花青素，它也可以溶于乙醇中并被分離出來。學(xué)生繼續(xù)提問：為什么紅色的花青素在色素帶上卻呈現(xiàn)出了紫色帶？教師講解：花青素在酸性條件下變紅，堿性條件下變藍(lán)，中性條件下變成紫色。學(xué)生自己感悟出：體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇提取液是中性環(huán)境，所以分離出的色素帶呈現(xiàn)紫色。雞爪槭葉呈紅色，是因?yàn)橐号葜腥芤菏撬嵝缘模ㄇ嗨爻尸F(xiàn)出紅色。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究問題②和問題③。

3.3.2 探究活動(dòng)：用分光光度計(jì)法定量測定菠菜各部位葉片中葉綠體色素的含量

學(xué)生8人一組，小組內(nèi)完成菠菜外部葉、中部葉和內(nèi)部葉的葉綠體色素含量的探究。小組內(nèi)比較分析數(shù)據(jù)后，班級內(nèi)不同組共享同一部位色素含量的數(shù)據(jù)，求出平均值。

教師引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理：葉綠素a、b在95%乙醇中的最大吸收波長分別為665 nm和649 nm，類胡蘿卜素的最大吸收波長為470 nm，且吸光度值與色素的含量有關(guān)。分別測定葉綠體色素在這三個(gè)波長處的吸光度，再根據(jù)Lambert-Beer定律，按相關(guān)公式計(jì)算出其含量。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以乙醇為提取液的色素濃度（mg·L-1）和含量（mg·g-1）的計(jì)算公式：

葉綠體色素的含量=色素濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)/樣品鮮重（或干重）。

各組交流數(shù)據(jù)，表1是學(xué)生統(tǒng)計(jì)處理過的相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值。

表1 菠菜外部、中部和內(nèi)部葉綠素和類胡蘿卜素含量及相關(guān)比值

師生共同分析數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：菠菜綠葉中葉綠素含量遠(yuǎn)多于類胡蘿卜素含量，所以綠葉呈現(xiàn)綠色。綠葉外部、中部和內(nèi)部色素含量不同，外部多于中部，內(nèi)部色素含量最少，說明葉片成熟部位的色素含量高于幼嫩部位。葉片從幼嫩到成熟的過程中，葉綠素的合成速率小于類胡蘿卜素的合成速率。色素的合成可能與光有關(guān)，外部吸收光多，葉綠素和類胡蘿卜素含量均高，光合作用強(qiáng)。Ca/Cb越高，可能有利于吸收光。

教師小結(jié)：葉綠體色素的作用是吸收光，葉綠素主要吸收紅橙光和藍(lán)紫光，類胡蘿卜素主要吸收藍(lán)紫光。教師強(qiáng)調(diào)：正是因?yàn)檫@些光合色素吸收光能，并把光能傳遞給少數(shù)葉綠素a，導(dǎo)致葉綠素a得失電子的發(fā)生，從而啟動(dòng)了光合作用。

設(shè)計(jì)意圖：教師以秋天常見的4種植物葉片作為定性和定量實(shí)驗(yàn)的材料，讓美麗的葉片承載著學(xué)生探究的熱情，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活，在探究過程中，增強(qiáng)學(xué)生對自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從探究的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)問題，提出新疑問，再通過探究解決新問題，提升思維品質(zhì)，提高實(shí)踐能力，在探究過程中培養(yǎng)學(xué)生的合作精神。

3.3 色素與環(huán)境的關(guān)系

教師展示綠色銀杏葉和黃色銀杏葉的色素帶，學(xué)生提出問題：①什么環(huán)境因素導(dǎo)致秋季法國梧桐、銀杏、雞爪槭落葉中葉綠素含量大量減少？②低溫是如何影響葉綠素含量的？③強(qiáng)光和弱光是怎樣影響葉綠素含量的？

秋天葉綠素含量下降的主要環(huán)境因素是溫度下降和光照減弱。教師先組織學(xué)生構(gòu)建含量變化的思維模型“來源→含量變化←去路”，然后引導(dǎo)學(xué)生利用模型分析低溫影響葉綠素合成酶的活性：葉綠素的來源減少，而葉綠素的降解量增加，導(dǎo)致葉綠素含量下降。針對光照強(qiáng)度對葉綠素含量的影響，教師利用韭菜和韭黃說明弱光下葉綠素的合成量減少；并展示學(xué)生課前所做的探究實(shí)驗(yàn)“光照強(qiáng)度對離體葉綠素的影響”實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明強(qiáng)光會加速葉綠素的分解。

教師總結(jié)：秋天葉片的多姿多彩，是色素種類和含量變化的體現(xiàn)。這是葉片對環(huán)境的適應(yīng)，是長期自然選擇的結(jié)果。

根據(jù)上述學(xué)習(xí)，學(xué)生繼續(xù)提出新的問題：①為什么有些植物的葉片在秋冬季依然保持綠色？②夏天，為什么自然界中的綠色植物的葉片無論是在強(qiáng)光下還是在弱光下都能保持綠色？教師布置學(xué)生課后查閱資料，自主學(xué)習(xí)尋找原因。

設(shè)計(jì)意圖：建模對于生物學(xué)的學(xué)習(xí)非常重要。學(xué)生通過分析溫度和光照強(qiáng)度對葉綠素含量的影響，建立物質(zhì)的含量受其來源和去路兩個(gè)方面影響的思想，并以此作為分析物質(zhì)含量變化的依據(jù)。生物體與其生存的環(huán)境相適應(yīng)是生命科學(xué)的基本觀念之一，但是觀念的落實(shí)需要教師搭建支架，幫助學(xué)生自己去領(lǐng)悟。教師提供的支架是“展示學(xué)生課前探究光照強(qiáng)度對離體葉綠素的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果”，讓學(xué)生透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋問題，同時(shí)又產(chǎn)生新的思維沖突，激發(fā)新的探究欲望，布置課后作業(yè)，引發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究，讓學(xué)生深入感悟生物體是與其生存環(huán)境相適應(yīng)的。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課以實(shí)驗(yàn)探究為主導(dǎo)，且探索形式多樣，既有課上全體學(xué)生參與的探究活動(dòng)，又有部分學(xué)生課前的探究；既定性地探究了葉綠體色素的物質(zhì)性質(zhì)和種類，又定量地檢測了菠菜葉片不同部位的葉綠體色素的含量。實(shí)驗(yàn)材料與學(xué)生的現(xiàn)實(shí)生活緊密相連，每個(gè)實(shí)驗(yàn)之間環(huán)環(huán)相扣，引導(dǎo)學(xué)生探秘真實(shí)情境。探究源于真實(shí)的問題，每個(gè)探究又能激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生新的問題，充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升了學(xué)生思維的深度和廣度，為后續(xù)光合作用過程的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并幫助學(xué)生構(gòu)架了結(jié)構(gòu)與功能觀和生物與環(huán)境相適應(yīng)的觀念。