基于“情境創(chuàng)設”解決“實際問題”的生物教學

陳蓉　張鋒

摘? ?要：基于《普通高中生物課程標準（2017年版2020年修訂）》，以“提取和分離素色素”為學習主題，描述了基于“情境創(chuàng)設”的模式下的生物教學設計，通過“情境創(chuàng)設”解決“實際問題”，從生物學的核心素養(yǎng)出發(fā)去研究情境化教學，是研究生物情境教學創(chuàng)新式的嘗試，也是貫徹課程標準宗旨的重要實踐。進一步的研究通過“情境創(chuàng)設”如何促進和發(fā)展學生生物核心素養(yǎng)。

關鍵詞：情境創(chuàng)設；核心素養(yǎng)；色素提取和分離

縱觀教育發(fā)展的歷程，教育從以教師為主體轉變成以學生為主體，教學目標從對于基礎知識和技能的教授和培養(yǎng)，增加了“終身學習的能力與習慣”及“問題解決能力”的養(yǎng)成[ 1 ]。

《普通高中生物學課程標準（2017 年版 2020 年修訂）》（以下簡稱《課標》）中也明確指出要引導教學更加注重育人目的，更加關注學生的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和形成，更多地聚焦在如何進一步提高學生面對實際問題，結合自己的認知去進行解決的能力。因此培養(yǎng)問題解決能力是新時代教育的重要目標[ 2 ]?！墩n標》同時也在教材內容的組織和呈現(xiàn)方式上要求教師應當重視情境的創(chuàng)設。

真實而又具體的問題情境是學生生物學科素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要載體。在生物教學設計和課堂實踐中，創(chuàng)設基于真實情境的問題，將情境、探究、活動和知識融為一體，激發(fā)學生的好奇心和求知欲，改變學生的學習方式，使得學生主動地參與對知識的探索發(fā)現(xiàn)的過程，使 學生在解決問題過程中發(fā)展生物學科核心素養(yǎng)” 。情境教學要依據(jù)學習目標而定，圍繞教學內容展開，依托情境進行問題設計和活動設計，通過評價設計推動教學內容的完成達到學習任務的完成，這就是筆者建構如圖1所示的基于情境教學的模型。

1? 教學設計思路和目標

1.1? 教學設計思路

在《課標》中本節(jié)的內容要求為：說明植物細胞的葉綠體從太陽光中捕獲光能，課標建議為了幫助學生達成對本概念的理解，提升學生生物學科素養(yǎng)，應開展提取和分離葉綠體色素的實驗。教師嘗試從校園植物入手，用學生熟悉的植物、五彩斑斕的葉片激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望，通過色素的提取和分離的實驗提取這些葉片中的色素。運用手持光柵呈現(xiàn)色素的吸收光譜，學生自己構建知識去解決葉片顏色的問題，結合課本知識分析實際生活的問題（校園植物葉片顏色、胡蘿卜、莧菜顏色），最后再結合物理光學知識，分析海洋中的藻類習慣上分為綠藻、褐藻和紅藻，這與光能的捕獲有關系么？教材呈現(xiàn)的實驗本身也存在一些問題，導致實驗結果不佳，教師也進行了改進。

1.2? 教學目標

（1）學會提取和分離葉綠體中色素的方法。

（2）分離葉綠體中的四種色素。

（3）利用色素吸收光譜解決生活實際問題。

2? 教學過程

2.1? 光合色素的提取和分離

【情境創(chuàng)設】 光合色素用酒精沸水浴、清水沸水浴和酒精浸泡的結果。

【解決問題】學生借助實驗情境的呈現(xiàn)和教師一起分析提取光合色素的原理，以及色素的溶解性和紙層析法的過程，分析分離光合色素的原理。

【情境創(chuàng)設】 色素的提取和分離實驗的改進視頻。

【解決問題】 通過比對教材原實驗過程，發(fā)現(xiàn)實驗改進的環(huán)節(jié)，分析改進的意義，以及實驗的相關注意事項。

2.1.1? 實驗的改進點

（1）參考了浙科版教材對實驗材料的四種葉片都進行了烘干（55 ℃ 10 h）、磨粉處理。粉末狀的材料可以使得提取的濾液更濃，色素更多。

（2）采用蓋玻片按壓的方式和按壓后電吹風冷風吹干的方式重復劃線10次，使得濾液細線細、直、齊。

（3）錫箔紙包裹燒杯口，用刀片在其上切割出2 cm寬的口子，將濾紙條插入其中，可以避免濾紙細線沒入層析液和觸碰到燒杯壁（如圖2）。

2.1.2? 實驗的注意事項

（1）濾紙條帶需要剪去兩個角，因為層析液在紙帶邊緣擴散速度比較快，內部比較慢（因為濾紙條帶邊緣有更多和空氣的接觸界面積，毛細作用較強）。因此需要減去濾紙條帶的兩角，防止條帶兩側滲透過快。“剪去兩角”可以構成一個梯形，平衡同一水平線上的水位上升速度，梯形的斜邊增大了接觸面積，這樣吸收慢的紙帶中心部分與吸收快的邊緣部分的速度大致相當，色素就能分布更均勻了。

（2）濾液細線要劃得“細直齊”，可以防止色素帶重疊。使得色素分子均勻分布在一條直線上，做到擴散起點一致。因此改進方法中有重復劃10次左右。是為了增加濾液細線上的色素分子數(shù)量。使實驗效果更加明顯。

（3）濾液細線不能觸及層析液，如果層析液浸沒濾液細線，色素就會全部溶在層析液中了。

【學生活動】 學生以小組為單位每組四位同學進行菠菜、紅花檵木、銀杏黃葉、雞爪槭紅葉的色素提取實驗并分析結果。

2.2? 學生興趣小組的實驗分享。

【情境創(chuàng)設】 興趣小組展示菠菜枯葉、黃葉、綠葉以及莧菜葉片各種植物葉片的實驗。分析興趣小組的實驗結果：菠菜綠葉、黃葉和枯葉，其中綠葉有四條非常明顯的色素條帶，而黃葉的顏色就只有一條細線了，根據(jù)顏色判斷是胡蘿卜素，而枯葉色素條帶幾乎就沒有顏色了，在提取莧菜色素發(fā)現(xiàn)葉綠素等四種色素和菠菜綠葉實驗一樣出現(xiàn)了四個色素條帶，但是紫紅色色素卻沒有分離開來，這是因為莧菜葉中的花青素是水溶性的，不溶于層析液，因此在層析液中其不會擴散分離，反之會在水中擴散層析。

【解決問題】在一張濾紙條帶上把兩種不同溶解性質的色素分離開來要怎么做呢？

色素既有易于溶于有機溶劑的，也有水溶性的，把這個莧菜濾液通過重復打點的方式集中在某一個點，然后把濾紙片放在層析液中，發(fā)現(xiàn)層析出來四個顏色，然后把濾紙片轉動90度，放置在蒸餾水中去跑色素帶。這樣通過兩種不同的層析溶液，把不同性質的色素完全分離開來的方法就叫做雙相層析法（圖3）。

2.3? 手持光柵測定色素的吸收光譜

【情境創(chuàng)設】教師用手持光柵現(xiàn)場測定光合色素的吸收光譜：手持光柵顯示出七色光譜。

【解決問題】 葉綠素和類胡蘿卜素吸收光譜。

當學生用自己提取的菠菜綠葉的提取液（稀釋5倍），發(fā)現(xiàn)紅光區(qū)和藍色光區(qū)大面積消失；使用胡蘿卜提取液（稀釋5倍），發(fā)現(xiàn)藍紫光區(qū)大部分消失；使用銀杏黃葉提取液（稀釋2倍），發(fā)現(xiàn)藍紫光區(qū)大部分消失。學生理解葉綠素吸收紅光和藍紫光，類胡蘿卜素吸收藍紫光。

2.4? 聯(lián)系生活實際

【情境創(chuàng)設】 校園里的植物在秋天五彩繽紛的，有黃色的銀杏、綠色的龍眼、紅色的雞爪槭和紫色的紅花檵木。

【解決問題】 為什么有的葉片呈綠色、有的呈黃色、有的呈其它顏色？

葉綠體的色素主要吸收紅光和藍紫光部分，對綠光部分幾乎是不吸收，所以葉片呈現(xiàn)綠色。秋天到來，氣溫逐漸轉涼，葉片產(chǎn)生的葉綠素越來越少。葉綠素合成速度落后于葉綠素的分解速度時，葉片中的綠色色素就開始減少。而類胡蘿卜素的分解速度遠低于葉綠素的分解速度，因為類胡蘿卜素主要吸收藍紫光，所以葉片反射出的光線是黃色的。如果類胡蘿卜素被單寧酸氧化破壞了，葉片就變成棕色。根據(jù)花青素、類胡蘿卜素在葉片中的含量差別，不同植物的葉片就會顯示出不同的顏色。這就是葉片五顏六色的原因。

【情境創(chuàng)設】海洋中的藻類習慣上分為綠藻、褐藻和紅藻，不同的海水層有不同的藻類。

【解決問題】 綠藻、褐藻和紅藻與光能的捕獲有關系么？

光子能量E=hν，光速c =λν則：ν=c/λ，E=（h c）/λ即波長越短，光子的能量越高。所以到達深層的水層短波的光比較多。不同顏色的藻類吸收不同波長的光，所以吸收紅光和藍紫光較多的綠藻分布在海水的淺層，吸收藍紫光和綠光較多的紅藻分布在海水較深的位置。

3? 學生評價

本課堂采用小組合作的方式，每組四位同學，每位同學需要完成一種材料色素的提取，四種材料的比對就會發(fā)現(xiàn)結果是略有不同的。在實驗的過程中小組同學之間互相幫助、互相評價，這就生成了過程評價，而實驗結果由教師收集上來進行實驗評價。這兩塊部分加在一起給每位學生一個總體的評價。評價不是目的而是促進學生學習的一種手段，借助評價讓學生關注學習的過程，促進情境的落實和生物學科素養(yǎng)的達成。

4? 教學反思

4.1? 情境創(chuàng)設讓學生化文字為真實的生活構建生命觀念

情境創(chuàng)設從學生身邊的熟悉的“實際問題”入手，大大點燃了學生的學習熱情，這種學習方式幫助學生有效地掌握知識，靈活地運用知識去解決問題。案例從身邊熟悉的“五顏六色葉片”入手，讓學生用自己提取到的色素濾液結合物理的光學知識，發(fā)現(xiàn)色素的吸收光譜，從身邊的生物入手，將觀察到的生命現(xiàn)象和學習到的知識相互關聯(lián)起來構建生命觀念，通過建構知識解決問題，在真實情境中成為了知識的主人。

4.2? 任務驅動，讓學生將問題化為求知的動力提升科學思維

通過創(chuàng)設情境和需要解決的問題，引導學生層層遞進地理解知識和運用知識，尊重情境中的事實和證據(jù)。相對開放的實驗氛圍能夠培養(yǎng)學生不斷運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣，同時培養(yǎng)不斷探索、勇于創(chuàng)新的精神。案例從葉片為什么五顏六色的呢？到為什么莧菜提取不到色素？再到色素的吸收光譜是怎樣的？最后到海洋中藻類為什么分層分布？每一個問題的設計都讓學生體會到知識在生活中“變現(xiàn)”，體會到知識的力量，提升學生的科學思維。

4.3? 實驗中注重創(chuàng)新，讓學生化難為易，促進科學探究

本實驗按照書本的操作非常繁瑣，實驗結果也不盡如人意。通過相關步驟的改進，色素更濃，濾液細線更直，操作也便捷，結果更明顯。這對學生是極大的鼓勵，每個小組都至少有一名學生參加了興趣小組的實驗，提前分享了組員實驗結果，激發(fā)了他們的學習熱情，在實驗過程也能幫助組員們掌握實驗技能。合作和互助的學習方式更能夠給學生在科學探究的路上提供有效的幫助。從已有的實驗出發(fā)，發(fā)現(xiàn)問題再探究；從已知的材料入手，從學生興趣再探究；從學生體驗到興趣小組分享，都是在豐富學生探究的歷程。

5? 總結

教師在進行教學設計的時候應當重視通過創(chuàng)設真實的情境來發(fā)展學生生命觀念、科學探究等的生物學科的核心素養(yǎng)?！墩n標》所提倡的生物學教學是高度重視基于真實情境的問題探究，真實情境的創(chuàng)設在幫助學生提高學習的興趣、建構相關概念、理解重要知識等方面是非常有效的。因此應當高度關注情境創(chuàng)設在課堂的使用，通過情境創(chuàng)設教學不斷解決真實的問題，發(fā)展學生的生命觀念以及其他的生物學核心素養(yǎng)。

在《課標》的學業(yè)水平考試命題建議中也強調創(chuàng)設真實的情境、合理設問[ 2 ]。學生不是灌輸?shù)闹R的容器，沒有經(jīng)歷真實情境的學生不會自發(fā)產(chǎn)生生物學科能力。生物課堂應當注重教師的情境設計，根據(jù)學生的解決問題和分析情境的能力，去評價學生運用學科知識和方法，去提高學生學科素養(yǎng)的關鍵能力和必備知識。

參考文獻：

［1］ 胡藝齡.基于學習分析技術的問題解決能力評價研究[D].上海：華東師范大學，2016.

［2］ 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

2021年福州教育研究院課題：基于“情境-模型”雙向建構的高中生物教學實踐研究（ FZ2021GH018）研究成果