盧曉華 喬文軍 周有祥

（1 北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100052 2 北京教育科學(xué)研究院基礎(chǔ)教育教學(xué)研究中心 北京 100036 3 北京市昌平區(qū)第一中學(xué) 北京 102200）

科學(xué)教育的目的是培養(yǎng)知情的決策者,使學(xué)生具有進(jìn)行正確決策的知識(shí)基礎(chǔ)和能力。基于這樣的目的,基礎(chǔ)教育階段科學(xué)教育的教師應(yīng)將學(xué)習(xí)組織為趨向于大概念的、連續(xù)的、有聯(lián)系的學(xué)習(xí)進(jìn)程。這樣有助于學(xué)生理解與其生活相關(guān)的事件和現(xiàn)象［1］。就科學(xué)教育而言，需要選擇最有價(jià)值的學(xué)習(xí)內(nèi)容構(gòu)建科學(xué)課程,將科學(xué)課程內(nèi)容聚焦在大概念上［2］。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的一個(gè)突出特點(diǎn),就是用生物學(xué)大概念構(gòu)建課程內(nèi)容以實(shí)現(xiàn)“內(nèi)容聚焦大概念”［3］，在“內(nèi)容要求”欄目中均使用大概念構(gòu)成內(nèi)容框架,下位的重要概念、次位概念依次展開。概念的構(gòu)建離不開下位具體概念的支撐或大量事實(shí)的支撐。所以教學(xué)重心應(yīng)圍繞大概念使用事實(shí)和證據(jù)。實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)是概念形成過程中最重要的一種途徑,它可為概念形成提供一手證據(jù)。課程標(biāo)準(zhǔn)中“組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)”的教學(xué)建議也不僅僅是追求形式，更重要的是幫助學(xué)生理解科學(xué)探究的實(shí)質(zhì)、方法，以及相關(guān)的生物學(xué)概念,同時(shí)激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。所以，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要力求實(shí)現(xiàn)實(shí)踐活動(dòng)和概念傳遞的“對(duì)接”，這樣才能落實(shí)課程要求和教學(xué)目標(biāo)［4］。

本文以“葉綠體中色素的提取與分離”的實(shí)踐探究活動(dòng)為例,具體分析如何圍繞科學(xué)概念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課教學(xué)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)探究學(xué)習(xí)與凸顯重要概念傳遞的對(duì)接。

1 概念分析

“葉綠體中色素的提取和分離”在北師大版高中生物學(xué)教材中位于《分子與細(xì)胞》第4 章“細(xì)胞的代謝”的第4 節(jié)“光合作用”第1 小節(jié)“光反應(yīng)”，是首課時(shí)“尋找證據(jù)”中的重要學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)。光合作用在綠色植物的新陳代謝及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中，具有十分重要的意義，所以本節(jié)是本章的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

1.1 概念層級(jí)梳理 按照《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》“內(nèi)容要求”中概念層級(jí)關(guān)系梳理如下：

大概念：概念2 細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實(shí)現(xiàn)增殖。

重要概念：2.2 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。

次位概念：2.2.3 植物細(xì)胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量，這些能量在二氧化碳和水轉(zhuǎn)變?yōu)樘桥c氧氣的過程中，轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存為糖分子中的化學(xué)能。

教材中以小節(jié)名稱出現(xiàn)的“一般概念”：葉綠體通過光合色素捕獲光能；光能在類囊體膜上轉(zhuǎn)化為［H］和ATP 中活躍的化學(xué)能；在葉綠體基質(zhì)中經(jīng)碳反應(yīng)過程CO2被還原為糖類等有機(jī)物并儲(chǔ)存了能量。

1.2 概念構(gòu)建與事實(shí)之間的關(guān)系梳理 本節(jié)實(shí)驗(yàn)課要形成的概念是“葉綠體通過光合色素捕獲光能”，此概念構(gòu)建過程解讀如圖1。

圖1 “葉綠體通過光合色素捕獲光能”的概念構(gòu)建過程示意圖

由此可看出，本節(jié)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)圍繞達(dá)成“葉綠體通過光合色素捕獲光能”這一具體概念展開，以學(xué)生提取和分離色素的實(shí)踐探究活動(dòng)為起點(diǎn),逐步尋找證據(jù)，自此獲得概念構(gòu)建的支撐事實(shí)。通過對(duì)本節(jié)概念的層級(jí)梳理，可列出更下位的具體概念，這些具體概念的建立離不開事實(shí)證據(jù)的支撐。例如，對(duì)于“葉綠體中有4 種光合色素”，通過理解相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理，以此指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作，獲取事實(shí)證據(jù)“層析濾紙條上有4 條色素帶”；對(duì)于 “葉綠體中的色素能夠吸收光能”，可通過測(cè)定葉綠體色素提取液的吸收光譜獲取事實(shí)證據(jù)的支撐；通過觀察色素提取液的熒光現(xiàn)象,有助于學(xué)生理解植物在正常生理狀態(tài)下,葉片中的色素吸收光能后再經(jīng)電子傳遞等過程,最終轉(zhuǎn)化為有機(jī)物中儲(chǔ)存的能量，對(duì)于“光合作用”概念的形成具有關(guān)鍵作用。

2 概念構(gòu)建過程分析

按照課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)建議，“組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)是落實(shí)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵”。本節(jié)課借助系列問題串引導(dǎo)學(xué)生逐步進(jìn)入探究學(xué)習(xí)狀態(tài)。這種以探究為特點(diǎn)的教學(xué)不僅會(huì)直接影響核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”的落實(shí)，也會(huì)間接影響另外2 個(gè)核心素養(yǎng)的達(dá)成［5］。所以本節(jié)課的設(shè)計(jì)基于學(xué)情和教學(xué)目標(biāo)做進(jìn)一步梳理。

2.1 學(xué)情分析 高中階段光合作用的教學(xué)重點(diǎn)是通過揭示光合作用的機(jī)理,進(jìn)而理解光合作用這個(gè)重要概念。因此教師要在學(xué)生原有概念的基礎(chǔ)上幫助學(xué)生構(gòu)建內(nèi)涵更豐富的光合作用概念。本節(jié)內(nèi)容從尋找證據(jù)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)開始,有助于學(xué)生深入了解光合色素的種類及理化性質(zhì),便于其理解光合色素在光合作用過程中的關(guān)鍵作用。高中生已有一定的依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象追尋其背后原理的能力，所以，教學(xué)中可在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之上進(jìn)行相應(yīng)的拓展，進(jìn)一步鍛煉思維。

2.2 教學(xué)目標(biāo)

1）闡明提取和分離光合色素的原理，能根據(jù)結(jié)果說明光合色素的種類、色澤、含量和溶解度差異；

2）學(xué)會(huì)選擇正確的操作方法進(jìn)行光合色素提取和分離，認(rèn)識(shí)層析技術(shù)是物質(zhì)分離的重要技術(shù)；

3）嘗試對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（包括拓展實(shí)驗(yàn)）進(jìn)行科學(xué)地分析，探討光合色素吸收光能的作用及特點(diǎn)；

4）學(xué)會(huì)合作探究與學(xué)習(xí)；關(guān)注生物學(xué)科與化學(xué)、物理學(xué)科的密切聯(lián)系及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的運(yùn)用；樹立嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀。

2.3 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：學(xué)會(huì)提取和分離葉綠體中色素的方法和操作；理解“提取和分離葉綠體中色素”實(shí)驗(yàn)的原理。

2）難點(diǎn)：嘗試?yán)孟嚓P(guān)原理對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3 概念的構(gòu)建過程

3.1 創(chuàng)設(shè)問題情境，逐步引入學(xué)習(xí)主題 通過前階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已知細(xì)胞呼吸可分解有機(jī)物，釋放能量，供細(xì)胞各種生命活動(dòng)所用。有機(jī)物中能量的來源是什么？又經(jīng)過了什么過程才轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物中的化學(xué)能？（引出節(jié)主題：光合作用）。

植物依賴葉綠體完成光合作用，葉綠體能捕獲光能，與其中含有的什么物質(zhì)有關(guān)？秋天綠葉變黃的現(xiàn)象提示大家,葉綠體中是否還有其他光合色素？光合色素有哪些種類？它們?cè)诠夂献饔弥邪l(fā)揮什么作用？要想解決這一問題，必須要將這些色素從細(xì)胞中提取并分離，研究其理化性質(zhì)（引出課時(shí)主題：葉綠體中色素的提取與分離）。

教師利用問題情境，聯(lián)系已有“細(xì)胞呼吸”知識(shí)，引出本節(jié)主題：光合作用；再由此逐步深入，設(shè)置問題串層層發(fā)問,引起學(xué)生的好奇心和求知欲，同時(shí)引出本課時(shí)主題。從而為“葉綠體通過色素捕獲光能”這一概念的構(gòu)建尋找證據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)考查與實(shí)驗(yàn)操作 檢驗(yàn)學(xué)生利用教材與學(xué)案對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)效果,了解學(xué)生存在的疑問。教師提問：“光合色素的提取和分離的原理分別是什么？”請(qǐng)學(xué)生回答并追問色素的脂溶性與其存在部位的聯(lián)系。

教師利用照片和短視頻介紹實(shí)驗(yàn)的操作方法，并強(qiáng)調(diào)一些操作細(xì)節(jié)，在學(xué)生進(jìn)行操作時(shí)，用PPT 展示操作注意事項(xiàng)。

第1 步：提取色素。

學(xué)生操作要點(diǎn)：菜葉的量要適中（約1／2 外套筒體積）；注意添加碳酸鈣和石英砂少許（每種半藥匙）；注意加乙醇的量（2 mL 左右，1 滴管）；注意研磨的程度（強(qiáng)調(diào)用力并迅速研磨）。研磨完成后，提示學(xué)生不要拔出研磨桿，而是打開頂蓋，用滴管吸出濾液（一滴滴在載玻片上，其余的轉(zhuǎn)移至試管中）。小組內(nèi)成員合作互相幫助。教師巡視學(xué)生的操作是否規(guī)范，并提供必要的幫助。

第2 步：分離色素。

學(xué)生操作要點(diǎn)：用蓋玻片邊緣蘸取色素，轉(zhuǎn)移至濾紙條距尖端2 cm 處；注意連續(xù)轉(zhuǎn)移3~4 次，并將濾紙稍晾干；將濾紙條尖端朝下輕放入層析瓶中并蓋好蓋子（注意不能讓色素線浸入層析液中）；層析時(shí)注意保持層析瓶靜置。

學(xué)生體驗(yàn)色素的提取與分離的操作方法，獲取“葉綠體中含有4 種光合色素”這一具體概念的關(guān)鍵證據(jù)。加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，鍛煉了科學(xué)探究能力。

3.3 觀察并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果 利用學(xué)生等待層析的時(shí)間,教師展示預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖片,并提出問題：共分離出幾條色素帶？各條帶顏色和位置如何？色素名稱及含量有何差異？

教師展示不同季節(jié)校園銀杏葉的變化,聯(lián)系生活實(shí)際,結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析葉呈現(xiàn)綠色及葉秋天變黃的原因。針對(duì)學(xué)生提出“有些葉子為何秋天變紅？”的問題，教師可通過反問其“細(xì)胞中還有哪些部位存在色素？其性質(zhì)與葉綠體色素有何差異？”等問題，幫助學(xué)生回顧液泡中色素的特點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生自己解釋這一問題。

層析結(jié)束后,學(xué)生取出濾紙條,觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與其他學(xué)生比對(duì)層析效果，分析實(shí)驗(yàn)操作可能存在的問題。教師結(jié)合實(shí)例與學(xué)生一起分析。例如演示酸液破壞葉綠素,理解碳酸鈣保護(hù)色素的作用；演示色素線浸入層析液導(dǎo)致失敗的結(jié)果，以及展示用乙醇和層析液的層析效果對(duì)比,加深對(duì)分離色素原理的理解。教師提出問題：“色素呈現(xiàn)的顏色與其吸收的光有何關(guān)系？如何檢驗(yàn)色素吸收什么顏色的光？”引出拓展實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的問題反思實(shí)驗(yàn)操作，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。聯(lián)系生活實(shí)際設(shè)計(jì)問題，可考查學(xué)生對(duì)原理、概念的遷移運(yùn)用能力。

3.4 拓展實(shí)驗(yàn)

3.4.1 檢驗(yàn)色素溶液對(duì)光的吸收 教師展示拓展實(shí)驗(yàn)的材料用具：溶解在丙酮中的光合色素溶液（已用膠塞封閉在試管中）、白光手電筒、藍(lán)紫光手電筒、紅色激光筆、綠色激光筆、A4 大小的白紙。利用這些材料用具啟發(fā)學(xué)生正確進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)操作，檢驗(yàn)色素溶液對(duì)光的吸收（圖2，見封四）。教師展示每種色素的吸收光譜,讓學(xué)生據(jù)此對(duì)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。利用太陽光、色素溶液和三棱鏡展示其對(duì)光的吸收,并提出問題：“如何才能得到每種色素的連續(xù)吸收光譜？”激發(fā)學(xué)生思考與討論。教師引導(dǎo)學(xué)生答出可行的方法，例如獲得足夠多的層析結(jié)果,將每種色素從濾紙上剪下重新溶解，分別用專用儀器（例如分光光度計(jì)）測(cè)定連續(xù)吸收光譜。教師進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生利用色素對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收原理，嘗試解釋其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用（例如蔬菜大棚人工補(bǔ)充紅光和藍(lán)光）。

3.4.2 觀察色素的熒光現(xiàn)象 教師提問：“在植物體中色素吸收光能后將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,人工提取后的這些色素能否進(jìn)行光合作用？”學(xué)生回答后，教師可進(jìn)一步追問：“這些色素仍能吸收光能，吸收的能量怎樣轉(zhuǎn)化？”引出第2 個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)：觀察色素的熒光現(xiàn)象（圖3，見封四）。

教師指導(dǎo)學(xué)生利用色素溶液逆光觀察和順光觀察其顏色。請(qǐng)學(xué)生描述觀察到的現(xiàn)象并進(jìn)行解釋。學(xué)生很快說出逆光源觀察色素溶液呈現(xiàn)綠色是因?yàn)樯貛缀醪晃站G光。而對(duì)于順光源觀察溶液呈現(xiàn)出紅棕色，學(xué)生展開了積極討論，有學(xué)生提出是色素吸收光能后向外發(fā)出的光。教師展示圖片簡(jiǎn)要說明光合色素發(fā)出熒光的機(jī)理,為光合作用的理論學(xué)習(xí)做好鋪墊。

通過觀察光合色素的熒光現(xiàn)象，學(xué)生獲取“葉綠體中的色素能夠吸收光能”這一具體概念的另一重要證據(jù)。教師設(shè)計(jì)的開放性問題，拓展了學(xué)生的思維，為構(gòu)建“光合作用”概念做準(zhǔn)備。

4 教學(xué)反思

本節(jié)實(shí)驗(yàn)課最大的亮點(diǎn)在于圍繞葉綠體色素的性質(zhì)設(shè)計(jì)的拓展實(shí)驗(yàn)。以往的實(shí)驗(yàn)僅到色素分離完成為止，但這不足以支撐“葉綠體通過光合色素捕獲光能”這一具體概念的形成。因此，當(dāng)獲得色素提取液之后,色素吸收光能的實(shí)驗(yàn)探究顯得尤為重要。延伸實(shí)驗(yàn)所需色素可由教師提前準(zhǔn)備。也可收集全班學(xué)生的濾液，并用丙酮進(jìn)行抽提，離心后的上清液形成色素的丙酮溶液。學(xué)生使用白光、藍(lán)紫光手電筒和紅光、綠光激光筆照射色素溶液，觀察其對(duì)不同顏色光的吸收，用太陽光、三棱鏡和盛有色素溶液的電泳槽演示色素溶液對(duì)連續(xù)光譜的吸收,學(xué)生能直觀地觀察到色素溶液對(duì)紅光和藍(lán)紫光的吸收現(xiàn)象。最后，學(xué)生利用色素溶液在太陽光下分別進(jìn)行順光、逆光觀察溶液顏色。在驗(yàn)證葉綠體色素能吸收不同色光的基礎(chǔ)上,通過熒光現(xiàn)象獲得了色素吸收光能的又一證據(jù)。

當(dāng)然,拓展實(shí)驗(yàn)的順利開展依賴于色素提取與分離這部分實(shí)驗(yàn)的高效完成。這主要得益于學(xué)習(xí)過程前置和實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)。將預(yù)習(xí)任務(wù)提前布置,可通過檢測(cè)預(yù)習(xí)效果發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和操作的理解中存在的問題。實(shí)驗(yàn)的探究過程，事先對(duì)實(shí)驗(yàn)材料和用具進(jìn)行篩選,并對(duì)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行優(yōu)化，保證了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的高效進(jìn)行。例如，使用研磨過濾器代替研缽，使研磨和過濾同時(shí)完成；利用實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)的視頻,解決了演示操作遲緩和難以重復(fù)的問題；利用蓋玻片畫濾液線解決層析結(jié)果精準(zhǔn)度問題。

在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過程中,教師還利用了對(duì)比的方法,將典型錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果進(jìn)行直觀呈現(xiàn)。在學(xué)生分析自己的層析結(jié)果時(shí)，會(huì)有意識(shí)地與相關(guān)原理相結(jié)合。

新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)概念的構(gòu)建過程,強(qiáng)調(diào)學(xué)科素養(yǎng)的形成。這就需要教師首先明晰概念層級(jí)關(guān)系、厘清事實(shí)對(duì)概念構(gòu)建的支撐作用、設(shè)計(jì)獲取事實(shí)證據(jù)的途徑，始終將“組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)”放在教學(xué)設(shè)計(jì)的首位，讓學(xué)習(xí)真正地發(fā)生在學(xué)生身上。