福建 武漢琴

本文以高中生物學(xué)“捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)”這一節(jié)為例，基于教材中的實驗，改進(jìn)實驗流程，縮短實驗時間，并增加了實驗結(jié)果分析、實驗拓展、課堂評價等環(huán)節(jié)。通過設(shè)計多個學(xué)生活動，引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并利用實驗尋找證據(jù)，讓學(xué)生在真實情景中感悟生命，闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，形成生命觀念，同時提高其科學(xué)思維、科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.教材分析

“捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)”是人教版高中生物學(xué)教材必修1《分子與細(xì)胞》第5章第4節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)只選取了其中的第一部分“捕獲光能的色素”為教學(xué)內(nèi)容。依據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)的內(nèi)容要求，與本節(jié)課有關(guān)的次位概念是“說明植物細(xì)胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量”，重要概念是“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”，大概念是“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”。新課程實施的最大特點是“內(nèi)容聚焦大概念”，大概念的形成離不開重要概念和次位概念的支撐或者大量事實證據(jù)的支撐。實驗探究活動是形成概念的重要途徑之一，其為概念的形成提供直接證據(jù)。開展以科學(xué)探究素養(yǎng)為特點的主動學(xué)習(xí)是幫助學(xué)生理解相關(guān)生物學(xué)概念的重要途徑，同時還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和求知欲。教師一定要做好探究實驗與生物學(xué)概念的對接，這樣才能真正落實課程要求和教學(xué)目標(biāo)。

2.教學(xué)目標(biāo)

基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》、學(xué)業(yè)要求及學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，筆者制訂以下教學(xué)目標(biāo)：

(1)能夠通過分析葉綠素分子的結(jié)構(gòu)理解色素提取及其分離的原理、色素能夠吸收光能的原因，初步形成結(jié)構(gòu)與功能觀；能夠分析實驗結(jié)果及其出現(xiàn)異常現(xiàn)象的原因，簡述不同顏色葉片中色素的類型。

(2)通過分析不同葉片的色素分離結(jié)果，總結(jié)出不同綠葉中色素的共同點；比較銀杏葉的顏色變化，分析影響色素的環(huán)境因素，培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括的能力及理論聯(lián)系實際的科學(xué)思維。

(3)學(xué)會運用正確的操作方法進(jìn)行實驗，認(rèn)同層析法在科學(xué)研究中的重要性；能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進(jìn)行正確的分析并嘗試改進(jìn)實驗，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的科學(xué)探究能力。

(4)通過分組，培養(yǎng)學(xué)生合作探究、正確表達(dá)以及與人交流的能力；通過課后拓展，關(guān)注生物學(xué)科與物理學(xué)科、化學(xué)學(xué)科等自然學(xué)科之間的密切關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)科融合、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度；關(guān)注生活中的情境，培養(yǎng)學(xué)生熱愛自然的社會責(zé)任感。

3.教學(xué)過程

3.1 課前準(zhǔn)備

教師課前準(zhǔn)備8種植物葉片的色素提取液，8種植物色素提取液顏色分別是綠色(韭菜、菠菜、萬年青、爬山虎、銀杏)，黃色(銀杏)，紅色(一品紅)，正面綠色背面紅色(紅背桂花)。提取液制作的具體方法是將不同的葉片去掉葉脈，放入榨汁機中加入適量的無水乙醇和碳酸鈣進(jìn)行榨汁，然后用紗布過濾；教師提供改進(jìn)的層析容器、提供剪好的濾紙條。

設(shè)計意圖：節(jié)約課堂中提取色素的時間，8種葉片顏色包括綠色、黃色、紅色，這8種濾液用于層析，可比較不同葉片色素種類的異同，其中菠菜濾液還可用于拓展實驗(光合色素的熒光現(xiàn)象)；提供層析容器的目的是讓學(xué)生能夠得出準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，以便后續(xù)課堂的順利推進(jìn)。

3.2 創(chuàng)設(shè)問題情境，導(dǎo)入新課

教師通過圖片展示葉綠體的亞顯微立體結(jié)構(gòu)及其葉綠素的分子結(jié)構(gòu)，師生共同分析色素提取的原理、方法及其注意事項。學(xué)生思考，教師引導(dǎo)，師生共同總結(jié)出提取色素的方法及其注意事項：通過機械的方法磨碎細(xì)胞膜、葉綠體膜、類囊體膜等生物膜結(jié)構(gòu)，由于葉綠素分子很不穩(wěn)定，其中的鎂元素很容易被酸性物質(zhì)中的氫離子取代，從而被破壞，并由綠色變?yōu)楹稚?，所以在機械破碎的同時要加入碳酸鈣中和細(xì)胞內(nèi)容物中的酸性物質(zhì)；由于色素分子為脂溶性物質(zhì)，所以用無水乙醇這一有機溶劑進(jìn)行提取。教師在總結(jié)的過程中穿插一個小實驗：將鹽酸滴加到綠葉的無水乙醇提取液中，觀察顏色的變化情況。

設(shè)計意圖：回顧所學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)與功能觀的角度分析歸納，總結(jié)出實驗原理；小實驗的設(shè)計使學(xué)生能夠親身體驗“實踐出真知”。

3.3 實驗預(yù)習(xí)考查，紙層析實驗的完成

教師向?qū)W生展示通過榨汁機提取好的多種色素(不同組實驗桌上擺放有不同的濾液)，教師通過微課展示層析實驗步驟，并強調(diào)注意事項，同時發(fā)布任務(wù)1：①兩人一組完成層析過程。②層析分離后濾紙條上先后排列幾條色素帶？比較其顏色。③與前后桌的小組比較實驗結(jié)果的差異，進(jìn)行討論，并試著解釋原因。在學(xué)生操作的過程中，教師走到學(xué)生當(dāng)中，關(guān)注操作細(xì)節(jié)并及時糾正學(xué)生操作中的一些錯誤。

學(xué)生操作過程：用蓋玻片邊緣蘸取濾液，將其轉(zhuǎn)移至濾紙條距尖端2 cm處，稍作晾干后，再重復(fù)畫線，連續(xù)3～4次；將帶有濾液的濾紙條尖端朝下插入已備好的層析器皿(圖1)中(注意濾液細(xì)線不能浸入層析液中)；靜置裝置觀察實驗結(jié)果。

圖1

設(shè)計意圖：教師將課本上“綠葉中色素的提取與分離”實驗進(jìn)行簡化，如濾液的準(zhǔn)備、濾紙條的制備、層析裝置的準(zhǔn)備，將毛細(xì)吸管改為兩個蓋玻片，保證實驗?zāi)軌蚋咝А?zhǔn)確進(jìn)行。課本上的“綠葉中色素的提取”已經(jīng)于上節(jié)課完成，本節(jié)課是以該實驗結(jié)果為引子進(jìn)行分析、建構(gòu)模型、色素吸收光能等內(nèi)容。讓學(xué)生通過簡單的實驗得出實驗結(jié)果，體會層析法在分離色素中所起的重要作用，體會實驗的樂趣,培養(yǎng)學(xué)生小組合作探究的精神。

3.4實驗結(jié)果分析，建構(gòu)概念模型

在學(xué)生等待層析結(jié)果的過程中，教師展示預(yù)實驗及其同心圓層析的結(jié)果，組織學(xué)生進(jìn)行結(jié)果展示，每種顏色的濾液以一位同學(xué)為代表進(jìn)行實驗結(jié)果的匯報。

學(xué)生通過投影儀展示自己的實驗結(jié)果，綠葉組的代表同時展示多個層析結(jié)果：都是4個條帶，和教師展示的結(jié)果一致。教師提問：為什么綠色的濾液在濾紙條上會呈現(xiàn)4個條帶？不同條帶的顏色如何？師生共同建構(gòu)綠葉中光合色素的概念模型。黃葉組的代表同時展示了多個層析結(jié)果：都只有2個條帶。教師展示校園中銀杏葉在不同季節(jié)變黃的視頻，聯(lián)系生活實際,結(jié)合實驗結(jié)果分析原因。教師總結(jié)：銀杏葉由綠變黃是因為秋天溫度較低(外因)，葉綠素不穩(wěn)定，葉綠素分子分解，使得葉片中絕大多數(shù)色素為類胡蘿卜素(內(nèi)因)。紅背桂花組和一品紅組的代表同時展示多個層析結(jié)果，其結(jié)果與其他綠色葉片組相比多1條紅色色素帶，即總共有5個色素條帶，多出的1條紅色條帶位于濾液細(xì)線上。教師提問：為什么紅色葉片會多1條色素帶，而且位于濾液細(xì)線上，說明什么？教師可以引導(dǎo)學(xué)生：細(xì)胞中還有哪些部位含有色素？其化學(xué)性質(zhì)與光合色素有什么區(qū)別？學(xué)生通過回顧舊知，說出液泡中也含有色素(花青素)，而且是水溶性的，所以在有機溶劑(層析液)中溶解度非常小，不能擴散，就停留在濾液細(xì)線上。教師反問：如果想要讓紅色條帶隨層析液的擴散而擴散，應(yīng)如何設(shè)計實驗?zāi)兀繉W(xué)生分組討論并回答：將層析液換為清水，其他條件不變，進(jìn)行層析。

設(shè)計意圖：通過學(xué)生描述實驗結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生語言表達(dá)能力；通過對實驗結(jié)果的分析，引導(dǎo)學(xué)生利用生物學(xué)知識解決生活中的實際問題；通過簡單的實驗設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力及知識遷移的能力。

3.5 光合色素的功能，探究素養(yǎng)的形成

環(huán)節(jié)1：學(xué)科融合，對比歸納，總結(jié)功能

教師提問：色素呈現(xiàn)不同顏色與什么有關(guān)？學(xué)生回答：吸收的光能。教師接著提問：色素分子為什么能夠吸收光能呢？教師同時展示葉綠素分子與血紅蛋白分子的部分結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生找出這兩種分子結(jié)構(gòu)相似的部分，學(xué)生仔細(xì)觀察并說出二者相似的部分。教師接著講解葉綠素分子能夠吸收光能的原因：葉綠素分子的頭部含4個吡咯環(huán)，通過4個甲烯基連成1個卟啉環(huán)，Mg位于卟啉環(huán)的中央。如此一個巨大的共軛雙鍵系統(tǒng)，易與葉綠素以誘發(fā)共振的方式傳遞能量。尾部為1個脂肪烴鏈，有利于嵌入到類囊體薄膜中。葉綠素分子通過卟啉環(huán)中單鍵和雙鍵的改變來吸收可見光。

設(shè)計意圖：進(jìn)一步樹立結(jié)構(gòu)與功能觀，由于這部分內(nèi)容與有機化學(xué)相關(guān)聯(lián)，高一的同學(xué)還沒有接觸有機化學(xué)，故以教師講解為主。

環(huán)節(jié)2：動手操作，一探究竟

教師提問：光合色素主要吸收什么光？不同色素的吸收光譜是否一樣？嘗試做出假說并設(shè)計實驗證明假說是否成立。教師展示拓展實驗的材料和用具：白色、綠色、紅色、藍(lán)色的手電筒，紅色、綠色、藍(lán)紫色的激光筆，白紙，通過榨汁機收集的綠色葉片的濾液。利用這些材料引導(dǎo)學(xué)生展開小組合作，正確完成拓展實驗，驗證光合色素對光的吸收功能。學(xué)生開展實驗，認(rèn)真觀察實驗結(jié)果并記錄，探究實驗結(jié)束后由學(xué)生代表進(jìn)行展示，并說出假說及其實驗的結(jié)果。教師展示科學(xué)家通過三棱鏡測得的不同色素的吸收光譜。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過簡單實驗直觀地看到色素對紅光和藍(lán)光的吸收，這為“葉綠體中的色素能夠吸收光能”這一具體概念的形成提供了有力的證據(jù)。通過提出問題、做出假說、設(shè)計問題、實驗驗證、得出結(jié)論的流程，為后續(xù)假說-演繹法的講解打下基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)3：觀察光合色素的熒光現(xiàn)象

教師提問：植物體中的色素能夠吸收光能并將其轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，完成光合作用?，F(xiàn)在提取的色素能否進(jìn)行光合作用呢？學(xué)生回答：不能。教師接著提問：大家都知道光合色素吸收的光能不穩(wěn)定，那么光能如何轉(zhuǎn)化呢？由此進(jìn)行第2個拓展實驗。

材料和用具同樣是手電筒和濾液(圖2)，教師引導(dǎo)學(xué)生順著光源(反射光下)和逆著光源(透射光下)觀察濾液顏色。請學(xué)生回答觀察到的顏色并討論原因。學(xué)生較快地說出順著光源(反射光下)看到其呈現(xiàn)暗紅色，逆著光源(透射光下)看到的是綠色。學(xué)生小組討論，并回答原因，學(xué)生普遍認(rèn)為是色素吸收光能以后表現(xiàn)出的結(jié)果，但由于學(xué)生對光譜的知識儲備較少，未能說出真正的原因。教師簡單地說明了熒光現(xiàn)象的原理：由于葉綠素分子吸收的光能有一部分消耗于分子內(nèi)部的振動上，反射出的熒光的波長總是比被吸收的波長要長一些。所以葉綠素溶液在入射光下呈綠色，而在反射光下呈紅色(紅光波長較藍(lán)光長)。

圖2

設(shè)計意圖：通過熒光實驗，讓學(xué)生真實感受色素吸收光能后會有能量的轉(zhuǎn)化，為學(xué)習(xí)光合作用的理論知識做好鋪墊。

環(huán)節(jié)4：課外延展，知識升華

教師提問：葉綠素和類胡蘿卜素對光的吸收是否相同呢？哪種色素在光合作用中起到了關(guān)鍵作用呢？結(jié)合不同顏色葉片的歸宿并說明理由。學(xué)生回答：不同，秋天黃色的葉片最終因無法進(jìn)行光合作用而衰老脫落。

教師介紹不同色素在光合作用過程中的功能及光系統(tǒng)，并介紹葉綠體上電子傳遞鏈(圖3)。

設(shè)計意圖：這部分內(nèi)容是課本內(nèi)容的延展，是近年高考的熱點，也是這節(jié)課的升華，讓學(xué)生體會生命的復(fù)雜性、系統(tǒng)性，更為接下來光合作用理論知識的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，有助于學(xué)生對能量轉(zhuǎn)化的理解；類囊體薄膜之所以是光合作用中光反應(yīng)的場所，與其結(jié)構(gòu)和膜上的物質(zhì)相關(guān)聯(lián)。

3.6 課堂評價促教學(xué)

教師將課前準(zhǔn)備好的評價量表(掃描文末二維碼可查看)發(fā)給學(xué)生,學(xué)生對本節(jié)的課堂表現(xiàn)完成自評和互評環(huán)節(jié)，教師課堂結(jié)束后盡快完成師評和總評，將表格及時反饋給學(xué)生。

設(shè)計意圖：《課程標(biāo)準(zhǔn)》的基本理念之一是學(xué)業(yè)評價促發(fā)展，以評價促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展，重視評價的診斷作用、激勵作用和促進(jìn)作用。提倡在評價中關(guān)注學(xué)生的個體差異和發(fā)展需求，幫助學(xué)生認(rèn)識自我、建立自信，改進(jìn)學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。以往教師評價形式較為單一，通常為紙筆測試，對學(xué)生的評價較片面，通過這種形式可以更全面地考查學(xué)生的探究能力。

4.教學(xué)反思

教師以“8種不同葉片中色素的分離”實驗結(jié)果為引，引導(dǎo)學(xué)生對不同葉片中色素的異同點進(jìn)行歸納總結(jié)、匯報交流，并通過所學(xué)知識解釋自然現(xiàn)象。教師組織學(xué)生嘗試驗證綠葉提取液吸收光能的實驗，師生共同探討色素吸收光能的原理及其不同色素在光合作用中的作用，同時以多維量表對學(xué)生整節(jié)課的表現(xiàn)進(jìn)行評價，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極探索。本節(jié)課很好地實現(xiàn)了學(xué)科核心素養(yǎng)的落地，不足之處是課堂時間較緊，導(dǎo)致學(xué)生展示時間較短，評價量表無法在課上完成。

(基金項目：2020年福建省基礎(chǔ)教育課程教學(xué)研究基地校課題“指向科學(xué)探究的高中生物學(xué)課堂學(xué)習(xí)評價的實踐研究”，NO.MJYKT2020-081。)

(掃描上方二維碼搜索本文可查看“科學(xué)探究活動 綠葉中色素的提取與分離”評價量表)