基于實驗的科學概念構建教學設計
——以“植物細胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量”為例*

盧曉華 喬文軍 周有祥

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

科學教育的目的是培養知情的決策者,使學生具有進行正確決策的知識基礎和能力。基于這樣的目的,基礎教育階段科學教育的教師應將學習組織為趨向于大概念的、連續的、有聯系的學習進程。這樣有助于學生理解與其生活相關的事件和現象［1］。就科學教育而言，需要選擇最有價值的學習內容構建科學課程,將科學課程內容聚焦在大概念上［2］。

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》的一個突出特點,就是用生物學大概念構建課程內容以實現“內容聚焦大概念”［3］，在“內容要求”欄目中均使用大概念構成內容框架,下位的重要概念、次位概念依次展開。概念的構建離不開下位具體概念的支撐或大量事實的支撐。所以教學重心應圍繞大概念使用事實和證據。實驗探究活動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。課程標準中“組織以探究為特點的主動學習”的教學建議也不僅僅是追求形式，更重要的是幫助學生理解科學探究的實質、方法，以及相關的生物學概念,同時激發學生的好奇心和求知欲。所以，教師在實驗教學中要力求實現實踐活動和概念傳遞的“對接”，這樣才能落實課程要求和教學目標［4］。

本文以“葉綠體中色素的提取與分離”的實踐探究活動為例,具體分析如何圍繞科學概念進行實驗課教學設計,實現探究學習與凸顯重要概念傳遞的對接。

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教材中位于《分子與細胞》第4 章“細胞的代謝”的第4 節“光合作用”第1 小節“光反應”，是首課時“尋找證據”中的重要學生實踐活動。光合作用在綠色植物的新陳代謝及整個生態系統的物質循環和能量流動中，具有十分重要的意義，所以本節是本章的重點內容之一。

1.1 概念層級梳理 按照《普通高中生物學課程標準（2017年版）》“內容要求”中概念層級關系梳理如下：

大概念：概念2 細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖。

重要概念：2.2 細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些反應發生在細胞的特定區域。

次位概念：2.2.3 植物細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變為糖與氧氣的過程中，轉換并儲存為糖分子中的化學能。

教材中以小節名稱出現的“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化為［H］和ATP 中活躍的化學能；在葉綠體基質中經碳反應過程CO2被還原為糖類等有機物并儲存了能量。

1.2 概念構建與事實之間的關系梳理 本節實驗課要形成的概念是“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”的概念構建過程示意圖

由此可看出，本節實驗活動圍繞達成“葉綠體通過光合色素捕獲光能”這一具體概念展開，以學生提取和分離色素的實踐探究活動為起點,逐步尋找證據，自此獲得概念構建的支撐事實。通過對本節概念的層級梳理，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證據的支撐。例如，對于“葉綠體中有4 種光合色素”，通過理解相關實驗原理，以此指導實驗操作，獲取事實證據“層析濾紙條上有4 條色素帶”；對于 “葉綠體中的色素能夠吸收光能”，可通過測定葉綠體色素提取液的吸收光譜獲取事實證據的支撐；通過觀察色素提取液的熒光現象,有助于學生理解植物在正常生理狀態下,葉片中的色素吸收光能后再經電子傳遞等過程,最終轉化為有機物中儲存的能量，對于“光合作用”概念的形成具有關鍵作用。

2 概念構建過程分析

按照課程標準的教學建議，“組織以探究為特點的主動學習是落實核心素養的關鍵”。本節課借助系列問題串引導學生逐步進入探究學習狀態。這種以探究為特點的教學不僅會直接影響核心素養中“科學思維”“科學探究”的落實，也會間接影響另外2 個核心素養的達成［5］。所以本節課的設計基于學情和教學目標做進一步梳理。

2.1 學情分析 高中階段光合作用的教學重點是通過揭示光合作用的機理,進而理解光合作用這個重要概念。因此教師要在學生原有概念的基礎上幫助學生構建內涵更豐富的光合作用概念。本節內容從尋找證據的實驗活動開始,有助于學生深入了解光合色素的種類及理化性質,便于其理解光合色素在光合作用過程中的關鍵作用。高中生已有一定的依據實驗現象追尋其背后原理的能力，所以，教學中可在基礎實驗之上進行相應的拓展，進一步鍛煉思維。

2.2 教學目標

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

2）學會選擇正確的操作方法進行光合色素提取和分離，認識層析技術是物質分離的重要技術；

3）嘗試對實驗結果（包括拓展實驗）進行科學地分析，探討光合色素吸收光能的作用及特點；

4）學會合作探究與學習；關注生物學科與化學、物理學科的密切聯系及其在生產實踐中的運用；樹立嚴謹認真的科學實驗觀。

2.3 教學重點與難點

1）重點：學會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”實驗的原理。

2）難點：嘗試利用相關原理對實驗結果進行分析。

3 概念的構建過程

3.1 創設問題情境，逐步引入學習主題 通過前階段的學習，學生已知細胞呼吸可分解有機物，釋放能量，供細胞各種生命活動所用。有機物中能量的來源是什么？又經過了什么過程才轉變為有機物中的化學能？（引出節主題：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有關？秋天綠葉變黃的現象提示大家,葉綠體中是否還有其他光合色素？光合色素有哪些種類？它們在光合作用中發揮什么作用？要想解決這一問題，必須要將這些色素從細胞中提取并分離，研究其理化性質（引出課時主題：葉綠體中色素的提取與分離）。

教師利用問題情境，聯系已有“細胞呼吸”知識，引出本節主題：光合作用；再由此逐步深入，設置問題串層層發問,引起學生的好奇心和求知欲，同時引出本課時主題。從而為“葉綠體通過色素捕獲光能”這一概念的構建尋找證據。

3.2 實驗預習考查與實驗操作 檢驗學生利用教材與學案對實驗的預習效果,了解學生存在的疑問。教師提問：“光合色素的提取和分離的原理分別是什么？”請學生回答并追問色素的脂溶性與其存在部位的聯系。

教師利用照片和短視頻介紹實驗的操作方法，并強調一些操作細節，在學生進行操作時，用PPT 展示操作注意事項。

第1 步：提取色素。

學生操作要點：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（強調用力并迅速研磨）。研磨完成后，提示學生不要拔出研磨桿，而是打開頂蓋，用滴管吸出濾液（一滴滴在載玻片上，其余的轉移至試管中）。小組內成員合作互相幫助。教師巡視學生的操作是否規范，并提供必要的幫助。

第2 步：分離色素。

學生操作要點：用蓋玻片邊緣蘸取色素，轉移至濾紙條距尖端2 cm 處；注意連續轉移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）；層析時注意保持層析瓶靜置。

學生體驗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”這一具體概念的關鍵證據。加深對實驗原理的理解，鍛煉了科學探究能力。

3.3 觀察并分析實驗結果 利用學生等待層析的時間,教師展示預實驗的結果圖片,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？

教師展示不同季節校園銀杏葉的變化,聯系生活實際,結合實驗結果分析葉呈現綠色及葉秋天變黃的原因。針對學生提出“有些葉子為何秋天變紅？”的問題，教師可通過反問其“細胞中還有哪些部位存在色素？其性質與葉綠體色素有何差異？”等問題，幫助學生回顧液泡中色素的特點，啟發學生自己解釋這一問題。

層析結束后,學生取出濾紙條,觀察實驗結果，并與其他學生比對層析效果，分析實驗操作可能存在的問題。教師結合實例與學生一起分析。例如演示酸液破壞葉綠素,理解碳酸鈣保護色素的作用；演示色素線浸入層析液導致失敗的結果，以及展示用乙醇和層析液的層析效果對比,加深對分離色素原理的理解。教師提出問題：“色素呈現的顏色與其吸收的光有何關系？如何檢驗色素吸收什么顏色的光？”引出拓展實驗。

學生通過分析實驗結果,結合實驗結果出現的問題反思實驗操作，加深對實驗原理的理解。聯系生活實際設計問題，可考查學生對原理、概念的遷移運用能力。

3.4 拓展實驗

3.4.1 檢驗色素溶液對光的吸收 教師展示拓展實驗的材料用具：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學生正確進行拓展實驗操作，檢驗色素溶液對光的吸收（圖2，見封四）。教師展示每種色素的吸收光譜,讓學生據此對觀察到的實驗現象進行解釋。利用太陽光、色素溶液和三棱鏡展示其對光的吸收,并提出問題：“如何才能得到每種色素的連續吸收光譜？”激發學生思考與討論。教師引導學生答出可行的方法，例如獲得足夠多的層析結果,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）測定連續吸收光譜。教師進一步啟發學生利用色素對不同波長的光的吸收原理，嘗試解釋其在農業生產中的應用（例如蔬菜大棚人工補充紅光和藍光）。

3.4.2 觀察色素的熒光現象 教師提問：“在植物體中色素吸收光能后將其轉化為化學能,人工提取后的這些色素能否進行光合作用？”學生回答后，教師可進一步追問：“這些色素仍能吸收光能，吸收的能量怎樣轉化？”引出第2 個拓展實驗：觀察色素的熒光現象（圖3，見封四）。

教師指導學生利用色素溶液逆光觀察和順光觀察其顏色。請學生描述觀察到的現象并進行解釋。學生很快說出逆光源觀察色素溶液呈現綠色是因為色素幾乎不吸收綠光。而對于順光源觀察溶液呈現出紅棕色，學生展開了積極討論，有學生提出是色素吸收光能后向外發出的光。教師展示圖片簡要說明光合色素發出熒光的機理,為光合作用的理論學習做好鋪墊。

通過觀察光合色素的熒光現象，學生獲取“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。教師設計的開放性問題，拓展了學生的思維，為構建“光合作用”概念做準備。

4 教學反思

本節實驗課最大的亮點在于圍繞葉綠體色素的性質設計的拓展實驗。以往的實驗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，當獲得色素提取液之后,色素吸收光能的實驗探究顯得尤為重要。延伸實驗所需色素可由教師提前準備。也可收集全班學生的濾液，并用丙酮進行抽提，離心后的上清液形成色素的丙酮溶液。學生使用白光、藍紫光手電筒和紅光、綠光激光筆照射色素溶液，觀察其對不同顏色光的吸收，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連續光譜的吸收,學生能直觀地觀察到色素溶液對紅光和藍紫光的吸收現象。最后，學生利用色素溶液在太陽光下分別進行順光、逆光觀察溶液顏色。在驗證葉綠體色素能吸收不同色光的基礎上,通過熒光現象獲得了色素吸收光能的又一證據。

當然,拓展實驗的順利開展依賴于色素提取與分離這部分實驗的高效完成。這主要得益于學習過程前置和實驗方法的改進。將預習任務提前布置,可通過檢測預習效果發現學生對實驗原理和操作的理解中存在的問題。實驗的探究過程，事先對實驗材料和用具進行篩選,并對實驗流程進行優化，保證了基礎實驗的高效進行。例如，使用研磨過濾器代替研缽，使研磨和過濾同時完成；利用實驗操作要點的視頻,解決了演示操作遲緩和難以重復的問題；利用蓋玻片畫濾液線解決層析結果精準度問題。

在分析實驗結果的過程中,教師還利用了對比的方法,將典型錯誤的實驗操作結果進行直觀呈現。在學生分析自己的層析結果時，會有意識地與相關原理相結合。

新課程標準強調概念的構建過程,強調學科素養的形成。這就需要教師首先明晰概念層級關系、厘清事實對概念構建的支撐作用、設計獲取事實證據的途徑，始終將“組織以探究為特點的主動學習”放在教學設計的首位，讓學習真正地發生在學生身上。