基于实验的科学概念构建教学设计——以“植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量”为例*

卢晓华 乔文军 周有祥

（1 北京师范大学附属中学 北京 100052 2 北京教育科学研究院基础教育教学研究中心 北京 100036 3 北京市昌平区第一中学 北京 102200）

科学教育的目的是培养知情的决策者,使学生具有进行正确决策的知识基础和能力。基于这样的目的,基础教育阶段科学教育的教师应将学习组织为趋向于大概念的、连续的、有联系的学习进程。这样有助于学生理解与其生活相关的事件和现象［1］。就科学教育而言，需要选择最有价值的学习内容构建科学课程,将科学课程内容聚焦在大概念上［2］。

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》的一个突出特点,就是用生物学大概念构建课程内容以实现“内容聚焦大概念”［3］，在“内容要求”栏目中均使用大概念构成内容框架,下位的重要概念、次位概念依次展开。概念的构建离不开下位具体概念的支撑或大量事实的支撑。所以教学重心应围绕大概念使用事实和证据。实验探究活动是概念形成过程中最重要的一种途径,它可为概念形成提供一手证据。课程标准中“组织以探究为特点的主动学习”的教学建议也不仅仅是追求形式，更重要的是帮助学生理解科学探究的实质、方法，以及相关的生物学概念,同时激发学生的好奇心和求知欲。所以，教师在实验教学中要力求实现实践活动和概念传递的“对接”，这样才能落实课程要求和教学目标［4］。

本文以“叶绿体中色素的提取与分离”的实践探究活动为例,具体分析如何围绕科学概念进行实验课教学设计,实现探究学习与凸显重要概念传递的对接。

1 概念分析

“叶绿体中色素的提取和分离”在北师大版高中生物学教材中位于《分子与细胞》第4 章“细胞的代谢”的第4 节“光合作用”第1 小节“光反应”，是首课时“寻找证据”中的重要学生实践活动。光合作用在绿色植物的新陈代谢及整个生态系统的物质循环和能量流动中，具有十分重要的意义，所以本节是本章的重点内容之一。

1.1 概念层级梳理 按照《普通高中生物学课程标准（2017年版）》“内容要求”中概念层级关系梳理如下：

大概念：概念2 细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖。

重要概念：2.2 细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域。

次位概念：2.2.3 植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。

教材中以小节名称出现的“一般概念”：叶绿体通过光合色素捕获光能；光能在类囊体膜上转化为［H］和ATP 中活跃的化学能；在叶绿体基质中经碳反应过程CO2被还原为糖类等有机物并储存了能量。

1.2 概念构建与事实之间的关系梳理 本节实验课要形成的概念是“叶绿体通过光合色素捕获光能”，此概念构建过程解读如图1。

图1 “叶绿体通过光合色素捕获光能”的概念构建过程示意图

由此可看出，本节实验活动围绕达成“叶绿体通过光合色素捕获光能”这一具体概念展开，以学生提取和分离色素的实践探究活动为起点,逐步寻找证据，自此获得概念构建的支撑事实。通过对本节概念的层级梳理，可列出更下位的具体概念，这些具体概念的建立离不开事实证据的支撑。例如，对于“叶绿体中有4 种光合色素”，通过理解相关实验原理，以此指导实验操作，获取事实证据“层析滤纸条上有4 条色素带”；对于 “叶绿体中的色素能够吸收光能”，可通过测定叶绿体色素提取液的吸收光谱获取事实证据的支撑；通过观察色素提取液的荧光现象,有助于学生理解植物在正常生理状态下,叶片中的色素吸收光能后再经电子传递等过程,最终转化为有机物中储存的能量，对于“光合作用”概念的形成具有关键作用。

2 概念构建过程分析

按照课程标准的教学建议，“组织以探究为特点的主动学习是落实核心素养的关键”。本节课借助系列问题串引导学生逐步进入探究学习状态。这种以探究为特点的教学不仅会直接影响核心素养中“科学思维”“科学探究”的落实，也会间接影响另外2 个核心素养的达成［5］。所以本节课的设计基于学情和教学目标做进一步梳理。

2.1 学情分析 高中阶段光合作用的教学重点是通过揭示光合作用的机理,进而理解光合作用这个重要概念。因此教师要在学生原有概念的基础上帮助学生构建内涵更丰富的光合作用概念。本节内容从寻找证据的实验活动开始,有助于学生深入了解光合色素的种类及理化性质,便于其理解光合色素在光合作用过程中的关键作用。高中生已有一定的依据实验现象追寻其背后原理的能力，所以，教学中可在基础实验之上进行相应的拓展，进一步锻炼思维。

2.2 教学目标

1）阐明提取和分离光合色素的原理，能根据结果说明光合色素的种类、色泽、含量和溶解度差异；

2）学会选择正确的操作方法进行光合色素提取和分离，认识层析技术是物质分离的重要技术；

3）尝试对实验结果（包括拓展实验）进行科学地分析，探讨光合色素吸收光能的作用及特点；

4）学会合作探究与学习；关注生物学科与化学、物理学科的密切联系及其在生产实践中的运用；树立严谨认真的科学实验观。

2.3 教学重点与难点

1）重点：学会提取和分离叶绿体中色素的方法和操作；理解“提取和分离叶绿体中色素”实验的原理。

2）难点：尝试利用相关原理对实验结果进行分析。

3 概念的构建过程

3.1 创设问题情境，逐步引入学习主题 通过前阶段的学习，学生已知细胞呼吸可分解有机物，释放能量，供细胞各种生命活动所用。有机物中能量的来源是什么？又经过了什么过程才转变为有机物中的化学能？（引出节主题：光合作用）。

植物依赖叶绿体完成光合作用，叶绿体能捕获光能，与其中含有的什么物质有关？秋天绿叶变黄的现象提示大家,叶绿体中是否还有其他光合色素？光合色素有哪些种类？它们在光合作用中发挥什么作用？要想解决这一问题，必须要将这些色素从细胞中提取并分离，研究其理化性质（引出课时主题：叶绿体中色素的提取与分离）。

教师利用问题情境，联系已有“细胞呼吸”知识，引出本节主题：光合作用；再由此逐步深入，设置问题串层层发问,引起学生的好奇心和求知欲，同时引出本课时主题。从而为“叶绿体通过色素捕获光能”这一概念的构建寻找证据。

3.2 实验预习考查与实验操作 检验学生利用教材与学案对实验的预习效果,了解学生存在的疑问。教师提问：“光合色素的提取和分离的原理分别是什么？”请学生回答并追问色素的脂溶性与其存在部位的联系。

教师利用照片和短视频介绍实验的操作方法，并强调一些操作细节，在学生进行操作时，用PPT 展示操作注意事项。

第1 步：提取色素。

学生操作要点：菜叶的量要适中（约1／2 外套筒体积）；注意添加碳酸钙和石英砂少许（每种半药匙）；注意加乙醇的量（2 mL 左右，1 滴管）；注意研磨的程度（强调用力并迅速研磨）。研磨完成后，提示学生不要拔出研磨杆，而是打开顶盖，用滴管吸出滤液（一滴滴在载玻片上，其余的转移至试管中）。小组内成员合作互相帮助。教师巡视学生的操作是否规范，并提供必要的帮助。

第2 步：分离色素。

学生操作要点：用盖玻片边缘蘸取色素，转移至滤纸条距尖端2 cm 处；注意连续转移3~4 次，并将滤纸稍晾干；将滤纸条尖端朝下轻放入层析瓶中并盖好盖子（注意不能让色素线浸入层析液中）；层析时注意保持层析瓶静置。

学生体验色素的提取与分离的操作方法，获取“叶绿体中含有4 种光合色素”这一具体概念的关键证据。加深对实验原理的理解，锻炼了科学探究能力。

3.3 观察并分析实验结果 利用学生等待层析的时间,教师展示预实验的结果图片,并提出问题：共分离出几条色素带？各条带颜色和位置如何？色素名称及含量有何差异？

教师展示不同季节校园银杏叶的变化,联系生活实际,结合实验结果分析叶呈现绿色及叶秋天变黄的原因。针对学生提出“有些叶子为何秋天变红？”的问题，教师可通过反问其“细胞中还有哪些部位存在色素？其性质与叶绿体色素有何差异？”等问题，帮助学生回顾液泡中色素的特点，启发学生自己解释这一问题。

层析结束后,学生取出滤纸条,观察实验结果，并与其他学生比对层析效果，分析实验操作可能存在的问题。教师结合实例与学生一起分析。例如演示酸液破坏叶绿素,理解碳酸钙保护色素的作用；演示色素线浸入层析液导致失败的结果，以及展示用乙醇和层析液的层析效果对比,加深对分离色素原理的理解。教师提出问题：“色素呈现的颜色与其吸收的光有何关系？如何检验色素吸收什么颜色的光？”引出拓展实验。

学生通过分析实验结果,结合实验结果出现的问题反思实验操作，加深对实验原理的理解。联系生活实际设计问题，可考查学生对原理、概念的迁移运用能力。

3.4 拓展实验

3.4.1 检验色素溶液对光的吸收 教师展示拓展实验的材料用具：溶解在丙酮中的光合色素溶液（已用胶塞封闭在试管中）、白光手电筒、蓝紫光手电筒、红色激光笔、绿色激光笔、A4 大小的白纸。利用这些材料用具启发学生正确进行拓展实验操作，检验色素溶液对光的吸收（图2，见封四）。教师展示每种色素的吸收光谱,让学生据此对观察到的实验现象进行解释。利用太阳光、色素溶液和三棱镜展示其对光的吸收,并提出问题：“如何才能得到每种色素的连续吸收光谱？”激发学生思考与讨论。教师引导学生答出可行的方法，例如获得足够多的层析结果,将每种色素从滤纸上剪下重新溶解，分别用专用仪器（例如分光光度计）测定连续吸收光谱。教师进一步启发学生利用色素对不同波长的光的吸收原理，尝试解释其在农业生产中的应用（例如蔬菜大棚人工补充红光和蓝光）。

3.4.2 观察色素的荧光现象 教师提问：“在植物体中色素吸收光能后将其转化为化学能,人工提取后的这些色素能否进行光合作用？”学生回答后，教师可进一步追问：“这些色素仍能吸收光能，吸收的能量怎样转化？”引出第2 个拓展实验：观察色素的荧光现象（图3，见封四）。

教师指导学生利用色素溶液逆光观察和顺光观察其颜色。请学生描述观察到的现象并进行解释。学生很快说出逆光源观察色素溶液呈现绿色是因为色素几乎不吸收绿光。而对于顺光源观察溶液呈现出红棕色，学生展开了积极讨论，有学生提出是色素吸收光能后向外发出的光。教师展示图片简要说明光合色素发出荧光的机理,为光合作用的理论学习做好铺垫。

通过观察光合色素的荧光现象，学生获取“叶绿体中的色素能够吸收光能”这一具体概念的另一重要证据。教师设计的开放性问题，拓展了学生的思维，为构建“光合作用”概念做准备。

4 教学反思

本节实验课最大的亮点在于围绕叶绿体色素的性质设计的拓展实验。以往的实验仅到色素分离完成为止，但这不足以支撑“叶绿体通过光合色素捕获光能”这一具体概念的形成。因此，当获得色素提取液之后,色素吸收光能的实验探究显得尤为重要。延伸实验所需色素可由教师提前准备。也可收集全班学生的滤液，并用丙酮进行抽提，离心后的上清液形成色素的丙酮溶液。学生使用白光、蓝紫光手电筒和红光、绿光激光笔照射色素溶液，观察其对不同颜色光的吸收，用太阳光、三棱镜和盛有色素溶液的电泳槽演示色素溶液对连续光谱的吸收,学生能直观地观察到色素溶液对红光和蓝紫光的吸收现象。最后，学生利用色素溶液在太阳光下分别进行顺光、逆光观察溶液颜色。在验证叶绿体色素能吸收不同色光的基础上,通过荧光现象获得了色素吸收光能的又一证据。

当然,拓展实验的顺利开展依赖于色素提取与分离这部分实验的高效完成。这主要得益于学习过程前置和实验方法的改进。将预习任务提前布置,可通过检测预习效果发现学生对实验原理和操作的理解中存在的问题。实验的探究过程，事先对实验材料和用具进行筛选,并对实验流程进行优化，保证了基础实验的高效进行。例如，使用研磨过滤器代替研钵，使研磨和过滤同时完成；利用实验操作要点的视频,解决了演示操作迟缓和难以重复的问题；利用盖玻片画滤液线解决层析结果精准度问题。

在分析实验结果的过程中,教师还利用了对比的方法,将典型错误的实验操作结果进行直观呈现。在学生分析自己的层析结果时，会有意识地与相关原理相结合。

新课程标准强调概念的构建过程,强调学科素养的形成。这就需要教师首先明晰概念层级关系、厘清事实对概念构建的支撑作用、设计获取事实证据的途径，始终将“组织以探究为特点的主动学习”放在教学设计的首位，让学习真正地发生在学生身上。