基于問題解決的智慧型生物實驗課堂的實踐研究
——以改進和創(chuàng)新“綠葉中色素的提取和分離實驗”為例

張 泰

（江蘇省南通第一中學 江蘇南通 226001）

實驗是生物學的基礎(chǔ)，生物學知識體系的構(gòu)建和發(fā)展離不開實驗的探究，因此培養(yǎng)學生的實驗?zāi)芰υ谏飳W教學中至關(guān)重要。但是，傳統(tǒng)的生物學實驗課堂大都開展的是驗證型實驗教學，學生按部就班、機械性操作，就能完成。在整個過程中，學生缺乏深層次的思考，對實驗原理一知半解，對實驗現(xiàn)象也無法做出合理的解釋，不能真正培養(yǎng)和提高實驗?zāi)芰Α＿@種重結(jié)果而不重過程、重知識灌輸而不重能力培養(yǎng)的教學，與生物學學科核心素養(yǎng)注重科學探究、科學思維的理念是背道而馳的。可見，生物學實驗教學依然還是生物學教學中的薄弱環(huán)節(jié)。基于問題解決的智慧型實驗課堂以實際問題或真實的科學研究為素材來創(chuàng)設(shè)探究情境，既符合學生的認知水平又能高效調(diào)動學生的主觀能動性。同時，依托于現(xiàn)代信息技術(shù)手段的支持，學習資源的傳送、交流平臺的搭建快速便捷，教學反饋、學生展示及時全面，課堂更加智能高效。下面以改進和創(chuàng)新“綠葉中色素的提取和分離實驗”為例，介紹教學實踐中對創(chuàng)建基于問題解決的智慧型生物實驗課堂進行的初步探究。

1 實驗材料的選擇及色素分離方法的拓展

為研究不同葉片色素種類的異同，本實驗以菠菜和莧菜葉片作為實驗材料，不僅對綠葉也對其他顏色葉片的色素展開初步研究，同時也為色素分離方法的拓展埋下伏筆。用書本中的紙層析法可以分離出4種脂溶性色素。莧菜葉中的紅色色素主要是花青素，是一種水溶性色素，無法隨層析液在濾紙上擴散而分開。活用紙層析法原理，以水為層析液就能實現(xiàn)擴散分離。這樣的拓展既加深了學生對色素提取和分離原理的認知，又促進了學生的科學思維，更培養(yǎng)了學生解決真實問題的能力。

2 層析裝置及實驗操作的改進

2.1 層析裝置改進

好的實驗裝置應(yīng)便于操作易于成功，達到事半功倍的效果，讓教學變得簡單。教材中采用的是條形紙層析法，為達到減少層析液揮發(fā)的目的，以試管為層析裝置，但試管空間窄而深，易造成濾紙條貼壁，致使實驗效果不佳。本實驗使用了“培養(yǎng)皿—紙捻—圓形濾紙”的層析裝置。圓形濾紙的制備需要用圓規(guī)在圓形濾紙中央畫一個直徑為1 cm的圓（畫濾液細線用），用筆尖在圓心處鉆一個小孔（插紙捻用）。紙捻的制備是用大小合適的長方形濾紙卷成圓筒狀作捻。層析裝置由一大一小兩個培養(yǎng)皿組成，小培養(yǎng)皿盛裝層析液，大培養(yǎng)皿做蓋，實驗過程中層析液沿紙捻上升，在圓形濾紙中心開始向外擴散。該裝置中透明的培養(yǎng)皿方便隨時觀察色素的分離情況，且濾液細線不易觸及層析液，實驗成功率高。實驗的結(jié)果呈現(xiàn)為不同顏色的同心圓，增加了實驗的趣味性，提高了學生的實驗興趣。

2.2 色素提取操作及濾液細線畫法的改進

學生的想法和感受是教學的出發(fā)點和基礎(chǔ)。實驗操作的每一個步驟是否容易做，效果如何都是體現(xiàn)課堂智慧的地方。為了能適當降低葉綠素水解酶的活性，研磨前將葉片和提取液置于冰箱冷藏10～15 min。研磨時，如果研磨液一次性全部加入，很多葉片會處于漂浮和懸浮狀態(tài)，給研磨帶來困難。本實驗時先向研缽中加入5 mL無水乙醇，將葉片迅速充分研磨成泥狀，再往葉泥中加入5 mL無水乙醇，快速研磨成糊狀。這樣既充分提取了色素又極大地方便了研磨。教材中用毛細吸管畫濾液細線，這易造成濾液細線畫粗的問題。本實驗采用改“畫”為“印”：使用直徑為1 cm的試管作為“印章”，因其管壁薄，用試管口沾取適量濾液印于鉛筆線上，所畫濾液細線細且圓。為了獲得更好效果，可等干后重復上述操作幾次。

3 結(jié)合日常生活利用智能平板，開展教學活動

3.1 教師創(chuàng)設(shè)情境，導入教學

小到穿衣飲食，大到國家生產(chǎn)發(fā)展，都與生物學緊密相連。一個來源于學生日常生活的問題，稍加處理提煉往往就能迅速吸引學生的注意力，快速將學生的思維引入教學活動中。教師以一盤炒莧菜來創(chuàng)設(shè)情境，并設(shè)置一系列問題串導入教學。教師提問：為什么做出來的莧菜湯是紅色的？一般植物的葉片如菠菜的葉片是什么顏色的？炒菠菜的時候，為什么菠菜湯不是綠色呢？接著，教師帶領(lǐng)學生開展莧菜和菠菜葉片的色素種類及性質(zhì)的實驗探究。

3.2 學生自主構(gòu)建色素提取及分離的方法

教學前，教師可依據(jù)既定的教學目標，借助智能平板向所有學生推送相關(guān)的學習資源包，從而啟發(fā)學生思考，促進學生的自主學習，提高課堂教學效率。課堂上，教師組織學生對預習結(jié)果匯報交流，達到讓學生明確實驗的原理、方法及具體操作的目的，為學生動手操作及分析結(jié)果做好必要的知識儲備。智能平板可推送文字、圖片、視頻、動畫等多種形式的教學資源。學生動手實驗前，教師使用平板與全班分享生物興趣小組進行該實驗的操作視頻。視頻中包含如前所述的實驗創(chuàng)新和改進，有助于學生進一步明確實驗的步驟要領(lǐng)。

3.3 搭建交流平臺，實現(xiàn)及時反饋

學生是教學的主體，教師應(yīng)尊重他們的思維。在實驗課堂中，學生時常會因?qū)嶒灥拈_展而迸發(fā)出新的想法，提出獨到的見解。這些想法和見解可能對學生思維的培養(yǎng)和能力的提高有較大價值。及時發(fā)現(xiàn)并利用這些想法和見解有賴于互動交流平臺的搭建，這正是智慧型生物實驗課堂的優(yōu)勢所在。學生利用平板的拍照上傳功能，及時將實驗中出現(xiàn)的各種結(jié)果上傳給教師，教師可實時從中選出具有探究價值的結(jié)果，利用平板中的及時反饋功能分享給學生，引導學生思考問題背后的原因。分組實驗完成后，教師展示各小組上傳的結(jié)果，各小組分析匯報。學生發(fā)現(xiàn)，莧菜組共有5條色素帶，4條色素帶與菠菜組在位置、顏色、寬度上并無明顯差異，但多出一條仍停留在畫線處的紅色色素帶。紅色色素帶為什么沒有移動？它的性質(zhì)與其它四條色素帶一致嗎？針對學生的疑問，教師從溶解度的角度進行引導，啟發(fā)學生提出“這是一種水溶性色素”的假設(shè)。為驗證該假設(shè)，學生進一步設(shè)計相關(guān)實驗并匯報交流，最終提出以水為層析液進行紙層析法的方案。學生隨即開展實驗進行驗證。智慧型實驗課堂能實時展示每個小組的實驗結(jié)果，讓展示更加及時充分。借助有效的交流平臺，學生才能從問題的發(fā)現(xiàn)中產(chǎn)生智慧，才能從問題的解決中提高能力。

針對莧菜葉中的紅色色素，教師進一步追問：紅色色素在莧菜葉片細胞的哪個結(jié)構(gòu)中？它為什么是水溶性的，而不是脂溶性的？學生分析得出：色素的溶解性要與存在部位的環(huán)境相適應(yīng)。經(jīng)過這一節(jié)課的探究，學生既解決了生活中遇到的問題，又鋪設(shè)了一條從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題到解決問題的科學思維路線，從而達到發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)的目的。

3.4 課后延伸，拓展思維

課堂是教學的主陣地，但教學不能只局限于課堂。實驗教學更是如此，因上課時間及課時不足的限制，學生還有不少想法沒能表達，不少問題無法解答。這些正是激發(fā)學生學習興趣和培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要切入點。智慧型的生物實驗課堂能很好地將師生之間的交流延續(xù)到課后。本節(jié)課結(jié)束后，學生可利用“暢言作業(yè)”平臺上的“師生互動”功能，將課上未解決的問題留言給教師。教師對此進行個別指導的同時，又能挑選能培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的問題推送給全班解決。例如，莧菜葉片中的紅色色素只有一種嗎？如果有多種怎么分離？為什么莧菜葉片中含有大量的紅色色素，它們有什么作用？這樣既能關(guān)注到點，又能顧及到面，還能有效開辟“空中學習”這個第二課堂。

基于問題解決的智慧型生物實驗課堂扎根于日常生活，取材于生產(chǎn)實踐，讓課堂更“親切”。同時，它是依托于新一代的信息技術(shù)手段而打造出來的智能高效課堂，能使實驗教學不受課堂時空的限制，隨時隨地發(fā)生，極大地豐富了教學的情境，也能尊重學生的個性發(fā)展，因材施教，實現(xiàn)分層教學。另外，以云平臺為基礎(chǔ)為學習提供大量優(yōu)質(zhì)的教學資源，能夠開拓學生的視野，促進學生的思維，是未來實驗課堂發(fā)展的一個大趨勢。