基于“情境创设”解决“实际问题”的生物教学

陈蓉　张锋

摘   要：基于《普通高中生物课程标准（2017年版2020年修订）》，以“提取和分离素色素”为学习主题，描述了基于“情境创设”的模式下的生物教学设计，通过“情境创设”解决“实际问题”，从生物学的核心素养出发去研究情境化教学，是研究生物情境教学创新式的尝试，也是贯彻课程标准宗旨的重要实践。进一步的研究通过“情境创设”如何促进和发展学生生物核心素养。

关键词：情境创设；核心素养；色素提取和分離

纵观教育发展的历程，教育从以教师为主体转变成以学生为主体，教学目标从对于基础知识和技能的教授和培养，增加了“终身学习的能力与习惯”及“问题解决能力”的养成[ 1 ]。

《普通高中生物学课程标准（2017 年版 2020 年修订）》（以下简称《课标》）中也明确指出要引导教学更加注重育人目的，更加关注学生的核心素养的培养和形成，更多地聚焦在如何进一步提高学生面对实际问题，结合自己的认知去进行解决的能力。因此培养问题解决能力是新时代教育的重要目标[ 2 ]。《课标》同时也在教材内容的组织和呈现方式上要求教师应当重视情境的创设。

真实而又具体的问题情境是学生生物学科素养形成和发展的重要载体。在生物教学设计和课堂实践中，创设基于真实情境的问题，将情境、探究、活动和知识融为一体，激发学生的好奇心和求知欲，改变学生的学习方式，使得学生主动地参与对知识的探索发现的过程，使 学生在解决问题过程中发展生物学科核心素养” 。情境教学要依据学习目标而定，围绕教学内容展开，依托情境进行问题设计和活动设计，通过评价设计推动教学内容的完成达到学习任务的完成，这就是笔者建构如图1所示的基于情境教学的模型。

1  教学设计思路和目标

1.1  教学设计思路

在《课标》中本节的内容要求为：说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获光能，课标建议为了帮助学生达成对本概念的理解，提升学生生物学科素养，应开展提取和分离叶绿体色素的实验。教师尝试从校园植物入手，用学生熟悉的植物、五彩斑斓的叶片激发学生的学习兴趣和探究欲望，通过色素的提取和分离的实验提取这些叶片中的色素。运用手持光栅呈现色素的吸收光谱，学生自己构建知识去解决叶片颜色的问题，结合课本知识分析实际生活的问题（校园植物叶片颜色、胡萝卜、苋菜颜色），最后再结合物理光学知识，分析海洋中的藻类习惯上分为绿藻、褐藻和红藻，这与光能的捕获有关系么？教材呈现的实验本身也存在一些问题，导致实验结果不佳，教师也进行了改进。

1.2  教学目标

（1）学会提取和分离叶绿体中色素的方法。

（2）分离叶绿体中的四种色素。

（3）利用色素吸收光谱解决生活实际问题。

2  教学过程

2.1  光合色素的提取和分离

【情境创设】 光合色素用酒精沸水浴、清水沸水浴和酒精浸泡的结果。

【解决问题】学生借助实验情境的呈现和教师一起分析提取光合色素的原理，以及色素的溶解性和纸层析法的过程，分析分离光合色素的原理。

【情境创设】 色素的提取和分离实验的改进视频。

【解决问题】 通过比对教材原实验过程，发现实验改进的环节，分析改进的意义，以及实验的相关注意事项。

2.1.1  实验的改进点

（1）参考了浙科版教材对实验材料的四种叶片都进行了烘干（55 ℃ 10 h）、磨粉处理。粉末状的材料可以使得提取的滤液更浓，色素更多。

（2）采用盖玻片按压的方式和按压后电吹风冷风吹干的方式重复划线10次，使得滤液细线细、直、齐。

（3）锡箔纸包裹烧杯口，用刀片在其上切割出2 cm宽的口子，将滤纸条插入其中，可以避免滤纸细线没入层析液和触碰到烧杯壁（如图2）。

2.1.2  实验的注意事项

（1）滤纸条带需要剪去两个角，因为层析液在纸带边缘扩散速度比较快，内部比较慢（因为滤纸条带边缘有更多和空气的接触界面积，毛细作用较强）。因此需要减去滤纸条带的两角，防止条带两侧渗透过快。“剪去两角”可以构成一个梯形，平衡同一水平线上的水位上升速度，梯形的斜边增大了接触面积，这样吸收慢的纸带中心部分与吸收快的边缘部分的速度大致相当，色素就能分布更均匀了。

（2）滤液细线要划得“细直齐”，可以防止色素带重叠。使得色素分子均匀分布在一条直线上，做到扩散起点一致。因此改进方法中有重复划10次左右。是为了增加滤液细线上的色素分子数量。使实验效果更加明显。

（3）滤液细线不能触及层析液，如果层析液浸没滤液细线，色素就会全部溶在层析液中了。

【学生活动】 学生以小组为单位每组四位同学进行菠菜、红花檵木、银杏黄叶、鸡爪槭红叶的色素提取实验并分析结果。

2.2  学生兴趣小组的实验分享。

【情境创设】 兴趣小组展示菠菜枯叶、黄叶、绿叶以及苋菜叶片各种植物叶片的实验。分析兴趣小组的实验结果：菠菜绿叶、黄叶和枯叶，其中绿叶有四条非常明显的色素条带，而黄叶的颜色就只有一条细线了，根据颜色判断是胡萝卜素，而枯叶色素条带几乎就没有颜色了，在提取苋菜色素发现叶绿素等四种色素和菠菜绿叶实验一样出现了四个色素条带，但是紫红色色素却没有分离开来，这是因为苋菜叶中的花青素是水溶性的，不溶于层析液，因此在层析液中其不会扩散分离，反之会在水中扩散层析。

【解决问题】在一张滤纸条带上把两种不同溶解性质的色素分离开来要怎么做呢？

色素既有易于溶于有机溶剂的，也有水溶性的，把这个苋菜滤液通过重复打点的方式集中在某一个点，然后把滤纸片放在层析液中，发现层析出来四个颜色，然后把滤纸片转动90度，放置在蒸馏水中去跑色素带。这样通过两种不同的层析溶液，把不同性质的色素完全分离开来的方法就叫做双相层析法（图3）。

2.3  手持光栅测定色素的吸收光谱

【情境创设】教师用手持光栅现场测定光合色素的吸收光谱：手持光栅显示出七色光谱。

【解决问题】 叶绿素和类胡萝卜素吸收光谱。

当学生用自己提取的菠菜绿叶的提取液（稀释5倍），发现红光区和蓝色光区大面积消失；使用胡萝卜提取液（稀释5倍），发现蓝紫光区大部分消失；使用银杏黄叶提取液（稀释2倍），發现蓝紫光区大部分消失。学生理解叶绿素吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素吸收蓝紫光。

2.4  联系生活实际

【情境创设】 校园里的植物在秋天五彩缤纷的，有黄色的银杏、绿色的龙眼、红色的鸡爪槭和紫色的红花檵木。

【解决问题】 为什么有的叶片呈绿色、有的呈黄色、有的呈其它颜色？

叶绿体的色素主要吸收红光和蓝紫光部分，对绿光部分几乎是不吸收，所以叶片呈现绿色。秋天到来，气温逐渐转凉，叶片产生的叶绿素越来越少。叶绿素合成速度落后于叶绿素的分解速度时，叶片中的绿色色素就开始减少。而类胡萝卜素的分解速度远低于叶绿素的分解速度，因为类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，所以叶片反射出的光线是黄色的。如果类胡萝卜素被单宁酸氧化破坏了，叶片就变成棕色。根据花青素、类胡萝卜素在叶片中的含量差别，不同植物的叶片就会显示出不同的颜色。这就是叶片五颜六色的原因。

【情境创设】海洋中的藻类习惯上分为绿藻、褐藻和红藻，不同的海水层有不同的藻类。

【解决问题】 绿藻、褐藻和红藻与光能的捕获有关系么？

光子能量E=hν，光速c =λν则：ν=c/λ，E=（h c）/λ即波长越短，光子的能量越高。所以到达深层的水层短波的光比较多。不同颜色的藻类吸收不同波长的光，所以吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布在海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布在海水较深的位置。

3  学生评价

本课堂采用小组合作的方式，每组四位同学，每位同学需要完成一种材料色素的提取，四种材料的比对就会发现结果是略有不同的。在实验的过程中小组同学之间互相帮助、互相评价，这就生成了过程评价，而实验结果由教师收集上来进行实验评价。这两块部分加在一起给每位学生一个总体的评价。评价不是目的而是促进学生学习的一种手段，借助评价让学生关注学习的过程，促进情境的落实和生物学科素养的达成。

4  教学反思

4.1  情境创设让学生化文字为真实的生活构建生命观念

情境创设从学生身边的熟悉的“实际问题”入手，大大点燃了学生的学习热情，这种学习方式帮助学生有效地掌握知识，灵活地运用知识去解决问题。案例从身边熟悉的“五颜六色叶片”入手，让学生用自己提取到的色素滤液结合物理的光学知识，发现色素的吸收光谱，从身边的生物入手，将观察到的生命现象和学习到的知识相互关联起来构建生命观念，通过建构知识解决问题，在真实情境中成为了知识的主人。

4.2  任务驱动，让学生将问题化为求知的动力提升科学思维

通过创设情境和需要解决的问题，引导学生层层递进地理解知识和运用知识，尊重情境中的事实和证据。相对开放的实验氛围能够培养学生不断运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯，同时培养不断探索、勇于创新的精神。案例从叶片为什么五颜六色的呢？到为什么苋菜提取不到色素？再到色素的吸收光谱是怎样的？最后到海洋中藻类为什么分层分布？每一个问题的设计都让学生体会到知识在生活中“变现”，体会到知识的力量，提升学生的科学思维。

4.3  实验中注重创新，让学生化难为易，促进科学探究

本实验按照书本的操作非常繁琐，实验结果也不尽如人意。通过相关步骤的改进，色素更浓，滤液细线更直，操作也便捷，结果更明显。这对学生是极大的鼓励，每个小组都至少有一名学生参加了兴趣小组的实验，提前分享了组员实验结果，激发了他们的学习热情，在实验过程也能帮助组员们掌握实验技能。合作和互助的学习方式更能够给学生在科学探究的路上提供有效的帮助。从已有的实验出发，发现问题再探究；从已知的材料入手，从学生兴趣再探究；从学生体验到兴趣小组分享，都是在丰富学生探究的历程。

5  总结

教师在进行教学设计的时候应当重视通过创设真实的情境来发展学生生命观念、科学探究等的生物学科的核心素养。《课标》所提倡的生物学教学是高度重视基于真实情境的问题探究，真实情境的创设在帮助学生提高学习的兴趣、建构相关概念、理解重要知识等方面是非常有效的。因此应当高度关注情境创设在课堂的使用，通过情境创设教学不断解决真实的问题，发展学生的生命观念以及其他的生物学核心素养。

在《课标》的学业水平考试命题建议中也强调创设真实的情境、合理设问[ 2 ]。学生不是灌输的知识的容器，没有经历真实情境的学生不会自发产生生物学科能力。生物课堂应当注重教师的情境设计，根据学生的解决问题和分析情境的能力，去评价学生运用学科知识和方法，去提高学生学科素养的关键能力和必备知识。

参考文献：

［1］ 胡艺龄.基于学习分析技术的问题解决能力评价研究[D].上海：华东师范大学，2016.

［2］ 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

2021年福州教育研究院课题：基于“情境-模型”双向建构的高中生物教学实践研究（ FZ2021GH018）研究成果