基于核心素养的实验课课例模型设计——“叶片中色素的提取和分离”拓展实验课

郭 亮 张瑞文 武慧颖

天津市东丽区教师发展中心(300300) 天津钢管公司中学(300302)

实验教学是生物学课程的特点,也是生物学教学的基本形式之一。实验教学是促成学生达成生物学学科核心素养的重要支撑[1]。基于核心素养的生物学实验探究课应该怎么上?我们以“叶片中色素的提取和分离”一节拓展实验课为例进行了课例模型设计和实践探索,取得了较好的效果。

1 教学设计背景

在《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》一书中提到,“科学探究”是指能够发现现实世界中的生物学问题,针对特定的生物学现象,进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力[1],而基于这些生物学实验的事实和证据,运用模型与建模、创造性思维的方法,探讨生命现象和规律,则是科学思维的训练过程。

在此次拓展实验课前,学生已完成“绿叶中色素的提取和分离”实验,有了一定的理论基础及实验操作能力,但从学生的能力水平分析,高一的学生对于生物探究实验设计还存在可以提升的空间,如果教师从细节出发对学生进行指导及评价,则会收到更好的效果。天津钢管公司中学为东丽区重点校,学生的学习兴趣高,探究精神强,教学活动易开展,为本节实验探究课的实施打下了良好的基础。

2 教学设计的目的与构想

本节实验拓展课,目的在于培养学生核心素养,尤其是科学探究能力和科学思维能力。本节课较好地呈现了新课程标准对学生能力培养的要求。为实现本节课的目标,绘制如图1所示设计构想。

图1 “叶片中色素的提取和分离”拓展实验课思维导图

3 教学过程

3.1 环节一:创设情境,引入新课

用图片展示天津钢管公司中学校园景观一大亮点:绿叶墙和红叶墙。

提出问题1:绿叶墙为什么会变成红叶墙?以问题形式提问,激发学生学习兴趣,使学生带着好奇心和求知欲进入学习状态。同时增强学生热爱学校的荣誉感、自豪感。

学生思考回答:叶片中的色素含量发生变化,导致叶片颜色发生变化。

3.2 环节二:组间交流,提出课题

结合上次实验课“绿叶中色素的提取和分离”中遇到的问题,学生分享交流。引导学生思考,鼓励学生把遇到的问题勇敢地提出来。

学生提出的问题有:①研磨法费时费力费试剂;②层析液有毒,不环保。无水乙醇和层析液均为有机溶剂,可以用水来分离色素吗?③其他材料可以分离出色素带吗?黄色叶片中是否含有四类色素?④如何提高色素浓度?⑤色素的具体含量可以测量吗?

结合学生的问题,引入新课。通过探究实验进一步了解叶片中的色素。

教师介绍:课前,生物实验兴趣小组的同学对大家提出的问题进行了总结归类,问题主要涉及提取方法、层析液、材料3个方向,并针对每类问题设计了探究实验,那现在请各小组组长来为大家介绍探究课题及实验方案(见表1～3)。

表1 探究1组课题:不同提取方法对色素提取与分离结果的影响

表2 探究2组课题:不同层析液对色素分离结果的影响

表3 探究3组课题:不同种类植物叶片中色素种类及含量的差别

3.3 环节三:实验探究,交流结果

教师介绍:生物实验兴趣小组的同学在课前做了大量的准备,查阅资料,设立了3个探究课题,每一个课题的设立都非常有创意,实验设计遵循单一变量原则,现在给大家8～10 min时间,由兴趣小组的同学带领大家完成叶片中色素提取和分离实验。

学生以小组为单位,自选研究题目,进行实践探究和评价活动。教师巡场拍照,通过希沃授课助手传到大屏(见表4)。

表4 学生实验过程评价表

教师根据评价3,指出定性实验和定量实验的区别。教师介绍兴趣小组的同学在课前通过查阅资料,并结合实验室的设备,找到色素含量定量测定方法:分光光度计法。同时介绍分光光度计的原理,通过分析色素的吸收光谱图,让学生了解类胡萝卜素、叶绿素a、叶绿素b 3种色素对不同波长的光的吸收比值,出现的吸收峰不同,利用分光光度计测得色素提取液不同波长下的吸光值后,根据公式即可计算色素含量。由于色素含量计算公式复杂,教师事先在Excel表格中设置好,只需要让学生将测得的3种色素对应的吸应值录入电脑中,就会自动出图。

利用投屏技术,展示各小组的实验结果(见图2)。

图2 3个探究小组实验结果

各小组根据实验结果分析评价并得出结论(表略)。

3.4 环节四:归纳总结,得出结论

通过本节拓展实验课,1组得出了色素提取的最佳方法:开水烫+水浴浸提法,水浴浸提法优于研磨法;开水烫菠菜叶片可提高提取液色素含量。2组得出了石油醚:乙酸乙酯=9∶1实验结果最佳。3组得出了叶片颜色变化是由于色素含量变化导致的。爬山虎叶片由绿变红,叶绿素含量下降,但红叶的色素条带未被分离,我们推测该色素不溶于层析液,课后我们会继续设置探究实验来研究。韭黄较韭菜色素含量低,差异最大的是叶绿素a,由于韭黄的形成是通过遮光处理,所以我们推断色素的合成与光照有关,具体结论还需课后实验验证。

4 教学反思

4.1 课堂学习项目化

学生在教师的引导下,将教材中经典的验证性实验拓展成探究性实验,按照科学探究的步骤,逐步完成不同实验课题的项目化学习,突出对学生自主科学探究能力的培养。

4.2 实验设计过程微创新

实验过程分别进行了提取操作过程简单化、分离层析液绿色化、实验材料多样化的改进,增强了实验的研究性与趣味性。

4.3 教学评价立体化

在探究实验过程中,穿插学生实验方法评价、学生操作评价、学生结果分析评价。

4.4 尝试构建新的实验课教学模式

本节实验拓展课初步构建了基于核心素养的实验课模型,主要包括情境创设、实验改进与创新、实验评价等内容,其流程可用图3表示。

图3 基于核心素养的实验课模型流程图

4.5 注意要点

本节课在完成“叶片中色素分离与提取”实验的同时,通过分光光度计定量测量了色素的含量,以此论证式地探究了层析定性结果。内容较多,完成难度增大,最好利用“双减”背景下的,社团在素质拓展活动来完成,从而达到培养学生科学探究精神、实现提升学生学科素养的目的。