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摘要:本文以葉綠體色素提取和分離實(shí)驗(yàn)的拓展設(shè)計(jì)為例，探討了怎樣通過“變定性為定量”“變驗(yàn)證為探究”“變個(gè)人為小組”來(lái)提高學(xué)生的科學(xué)探究核心素養(yǎng)水平。

關(guān)鍵詞:科學(xué)探究;生物學(xué)核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1科學(xué)探究核心素養(yǎng)的要求

科學(xué)探究是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是指學(xué)生發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果的交流與討論的能力。依據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”)，高中階段學(xué)生應(yīng)達(dá)到的“科學(xué)探究”核心素養(yǎng)由低到高，共四個(gè)水平層次。從表1可見，高中學(xué)生生物學(xué)科學(xué)探究能力要求的起點(diǎn)是“能規(guī)范實(shí)施給定方案，得出所給定問題的結(jié)論”，最終要達(dá)到“在現(xiàn)實(shí)中發(fā)現(xiàn)有效問題，并能根據(jù)條件設(shè)計(jì)可行的方案，實(shí)施方案得出合理結(jié)論”。在此過程中，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能、分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的能力也在不斷加強(qiáng)。在高中生物學(xué)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的最佳方式。然而，當(dāng)前生物學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)，一是定性實(shí)驗(yàn)多，重現(xiàn)象觀察，輕數(shù)據(jù)收集和分析;二是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)多，問題和方案均已給定，學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和探究的機(jī)會(huì)少;三是實(shí)驗(yàn)工作量少，學(xué)生單人即可完成實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生溝通合作的能力。因此要使學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)得到真正發(fā)展，要將教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)拓展，如變定性實(shí)驗(yàn)為定量實(shí)驗(yàn)，讓數(shù)據(jù)收集與分析成為必需，讓團(tuán)隊(duì)合作和交流成為必要;變驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)成為必然。

2實(shí)驗(yàn)拓展

2．1教材實(shí)驗(yàn)分析

“葉綠體色素提取和分離”是高中生物學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)有教材中，這是一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)教材的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，最終層析得到葉綠體的四種色素條帶。學(xué)生能掌握提取和分離色素的原理和具體的操作方法，證實(shí)葉綠體中光合作用色素的存在。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，從新課標(biāo)對(duì)科學(xué)探究水平要求看，屬于水平一的要求。光合作用的內(nèi)容，不僅涉及物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換等生物學(xué)機(jī)理，也涉及到環(huán)境因素對(duì)光合作用影響以及在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用等。因此，光合作用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)可以設(shè)計(jì)成為適合更高水平層次要求的探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2．2拓展一

測(cè)量葉片中各種光合色素含量紙層析得到的色素條帶僅能大略反映葉綠素含量多于類胡蘿卜素，但無(wú)法告知每種色素的具體含量，怎樣測(cè)出葉片中各種色素的具體含量呢?

2．2．1介紹收集數(shù)據(jù)的新方法———分光光度法

某物質(zhì)的溶液在特定波長(zhǎng)(該物質(zhì)的最大吸收波長(zhǎng))光照下的吸光度值與溶液中該物質(zhì)的濃度具有一定的比例關(guān)系，因此可以通過測(cè)量溶液的吸光度值計(jì)算溶液濃度，這種方法叫作分光光度法。以95%乙醇為提取液，在不分離葉綠體色素提取液中各色素的情況下，分別測(cè)定665nm、649nm(分別是葉綠素a和葉綠素b在紅光區(qū)的吸收峰)和470nm的吸光度數(shù)值，可由下列公式計(jì)算出提取液中葉綠素a(Ca)、葉綠素b(Cb)和類胡蘿卜素(Cxc)的濃度(單位為mg/L)。

2．2．2指導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

學(xué)生已學(xué)習(xí)了提取葉綠體色素的方法，再結(jié)合可以測(cè)出溶液中色素濃度的分光光度法，可以設(shè)計(jì)出初步方案(表2)。該拓展實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是定量，實(shí)驗(yàn)最終目的是得到單位質(zhì)量葉片中色素的質(zhì)量，這需要通過測(cè)量或計(jì)算得到葉片的質(zhì)量及其提取出的各種色素的全部質(zhì)量。基于此，表2所示的學(xué)生初步方案存在不足之處，需要改進(jìn)，如:在研磨前稱量葉片質(zhì)量，過濾后測(cè)量濾液體積。濾液中色素濃度的測(cè)量尤為關(guān)鍵，為減少誤差需要將葉片中所有色素都收集到濾液中，即所有存在色素殘留的用具和材料都要充分潤(rùn)洗和過濾。另分光光度計(jì)是根據(jù)溶液的吸光度值估算色素濃度的，若濾液中存在其他非色素雜質(zhì)(CaCO3等)會(huì)影響結(jié)果準(zhǔn)確性，因此孔徑較大的尼龍紗布不適于過濾提取液，需換作濾紙。教師提供所需儀器、試劑，但用50mL棕色容量瓶代替量筒，鍛煉學(xué)生根據(jù)實(shí)際條件調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)施實(shí)驗(yàn)的能力。有了容量瓶，學(xué)生只需通過添加提取液將濾液總體積定容到50mL即可，無(wú)需測(cè)量體積，且計(jì)算更簡(jiǎn)便;由此延伸，為方便計(jì)算，可考慮稱取定量葉片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生經(jīng)過小組討論確定最終實(shí)驗(yàn)方案。

2．2．3學(xué)生實(shí)施方案并交流結(jié)果

學(xué)生以小組為單位完成實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)果(表3)，從表中可以看到，菠菜葉片中光合色素的含量是葉綠素a＞葉綠素b＞類胡蘿卜素。學(xué)生發(fā)現(xiàn)彼此的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不盡相同，有些甚至存在顯著差異，教師啟發(fā)學(xué)生思考并討論造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異的原因，可能是由于個(gè)體的實(shí)驗(yàn)操作差異，更可能是所選用實(shí)驗(yàn)材料不同，色素含量本就存在差異。針對(duì)這個(gè)問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探索。

2．3拓展二

探究不同葉齡葉片中光合色素含量的差異通過觀察不同葉齡菠菜葉片的顏色，學(xué)生發(fā)現(xiàn)最中心的幼嫩葉片綠色較淺并泛黃色，由內(nèi)向外，葉片逐漸成熟，面積增大且顏色逐漸變?yōu)樯罹G色，他們會(huì)形成一個(gè)直觀印象，即隨著葉片葉齡的增加，葉片中各種色素的量也在不斷變化。那么究竟是怎樣變化的呢?學(xué)生提出“探究不同葉齡葉片中各種色素含量的差異”，在拓展一中學(xué)生已經(jīng)掌握了測(cè)量葉片中各種色素含量的方法，此探究是可行的。

2．3．1設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案

在該探究實(shí)驗(yàn)中，自變量是葉片的葉齡，因變量是提取到的各種色素的質(zhì)量，學(xué)生需要設(shè)置3組平行對(duì)照，實(shí)驗(yàn)材料(圖1)分別選用中心區(qū)幼嫩葉片、中間區(qū)的中等成熟葉片、靠外區(qū)的成熟大葉片(注:枯黃衰老的葉片棄掉，或者也可考慮將其單獨(dú)設(shè)為一組)。其他操作都和拓展一實(shí)驗(yàn)步驟相同。

2．3．2實(shí)施方案并交流結(jié)果

為排除無(wú)關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，拓展二中的三組操作需要同時(shí)進(jìn)行，學(xué)生個(gè)人無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)，必須以小組為單位實(shí)施實(shí)驗(yàn)，且小組內(nèi)要溝通協(xié)調(diào)好，有助于發(fā)展學(xué)生與人合作進(jìn)行探究活動(dòng)的能力。學(xué)生收集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過運(yùn)算得出菠菜不同葉齡葉片中各種色素的含量(表4)，通過對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論:①不同葉齡的菠菜葉片，葉綠素含量都顯著高于類胡蘿卜素;②幼嫩葉片中，葉綠素a和葉綠素b含量相當(dāng)，而類胡蘿卜素含量極低;③中等成熟及成熟葉片中葉綠素a含量顯著多于葉綠素b，類胡蘿卜素含量最低。教師可啟發(fā)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋不同葉齡葉片的顏色差異，如幼嫩葉片因?yàn)槿~綠素b占比大，所以呈現(xiàn)黃綠色，而成熟葉片中葉綠素總量增加特別是葉綠素a含量遠(yuǎn)大于其他色素含量，故呈現(xiàn)深綠色。教師可進(jìn)一步要求學(xué)生將數(shù)據(jù)以更直觀的形式展現(xiàn)，如分別以葉齡、色素含量為橫、縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)圖，繪制曲線(圖2)，曲線圖屬于數(shù)學(xué)模型，以數(shù)學(xué)方法分析和展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是新課標(biāo)對(duì)科學(xué)探究中數(shù)據(jù)處理的最高要求水平，這不僅能夠提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析處理能力，而且有助于學(xué)生解讀數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律。據(jù)圖可知，葉片發(fā)育成熟過程中，葉綠素(特別是葉綠素a)含量顯著增加，葉綠素b含量略有增加，而類胡蘿卜素含量雖有顯著增加，但遠(yuǎn)低于葉綠素，約占色素總量的1/6～1/7。學(xué)生通過交流討論和查閱資料，推測(cè)葉綠素的變化應(yīng)該與光照有關(guān)，因?yàn)楣馐怯绊懭~綠素形成的主要因素，剛萌出的幼嫩葉片葉綠素含量較少，但在接受了充分光照后葉綠素會(huì)顯著增加;此外，在光合作用中葉綠素a有其他光合色素所不具備的轉(zhuǎn)化光能的功能，正常葉片中葉綠素a含量最多，是葉綠素b含量的3倍左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此基本相符。

3反思與體會(huì)

將教材中的定性實(shí)驗(yàn)拓展為定量實(shí)驗(yàn)，大大拓寬了可探究問題的范圍。本文中，能測(cè)量色素濃度，學(xué)生才能進(jìn)一步探究隨葉片的生長(zhǎng)發(fā)育，各種色素含量的變化趨勢(shì)，不僅可以鍛煉學(xué)生分析處理數(shù)據(jù)的能力，更能激發(fā)學(xué)生自主探究的興趣，并在探究中催生新的探究問題。學(xué)生在探究過程中，逐步增強(qiáng)對(duì)自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學(xué)探究的基本方法，提高實(shí)踐能力。本文實(shí)驗(yàn)還可以考慮向其他方向拓展，如探究不同種類植物葉片色素含量差異，探究研磨中加入的CaCO3對(duì)不同色素的保護(hù)作用，以及根據(jù)濾紙上的色素條帶一段時(shí)間后會(huì)淡化消失，教師可啟發(fā)學(xué)生探究光對(duì)色素的影響等。實(shí)際教學(xué)中課時(shí)有限，很難在課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拓展，一方面可以利用選修課、社團(tuán)課或研究性學(xué)習(xí)等時(shí)間開展，另一方面可以提供背景知識(shí)，僅讓學(xué)生去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并討論完善方案。

作者:殷亞妮 單位:江蘇省南京師范大學(xué)附屬中學(xué)