基于科學探究素養發展的教學設計
——以“捕獲光能的色素”為例

福建 武漢琴

本文以高中生物學“捕獲光能的色素和結構”這一節為例，基于教材中的實驗，改進實驗流程，縮短實驗時間，并增加了實驗結果分析、實驗拓展、課堂評價等環節。通過設計多個學生活動，引導學生主動發現問題、提出問題，并利用實驗尋找證據，讓學生在真實情景中感悟生命，闡釋生命現象及規律，形成生命觀念，同時提高其科學思維、科學探究等學科核心素養。

1.教材分析

“捕獲光能的色素和結構”是人教版高中生物學教材必修1《分子與細胞》第5章第4節的內容，本節只選取了其中的第一部分“捕獲光能的色素”為教學內容。依據《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)的內容要求，與本節課有關的次位概念是“說明植物細胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量”，重要概念是“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”，大概念是“細胞的生存需要能量和營養物質”。新課程實施的最大特點是“內容聚焦大概念”，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。開展以科學探究素養為特點的主動學習是幫助學生理解相關生物學概念的重要途徑，同時還能激發學生學習的積極性和求知欲。教師一定要做好探究實驗與生物學概念的對接，這樣才能真正落實課程要求和教學目標。

2.教學目標

基于《課程標準》、學業要求及學科核心素養的要求，筆者制訂以下教學目標：

(1)能夠通過分析葉綠素分子的結構理解色素提取及其分離的原理、色素能夠吸收光能的原因，初步形成結構與功能觀；能夠分析實驗結果及其出現異常現象的原因，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果，總結出不同綠葉中色素的共同點；比較銀杏葉的顏色變化，分析影響色素的環境因素，培養學生歸納與概括的能力及理論聯系實際的科學思維。

(3)學會運用正確的操作方法進行實驗，認同層析法在科學研究中的重要性；能夠對實驗結果進行正確的分析并嘗試改進實驗，培養學生發現問題、提出問題、解決問題的科學探究能力。

(4)通過分組，培養學生合作探究、正確表達以及與人交流的能力；通過課后拓展，關注生物學科與物理學科、化學學科等自然學科之間的密切關系，培養學科融合、嚴謹的科學態度；關注生活中的情境，培養學生熱愛自然的社會責任感。

3.教學過程

3.1 課前準備

教師課前準備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行榨汁，然后用紗布過濾；教師提供改進的層析容器、提供剪好的濾紙條。

設計意圖：節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(光合色素的熒光現象)；提供層析容器的目的是讓學生能夠得出準確的實驗結果，以便后續課堂的順利推進。

3.2 創設問題情境，導入新課

教師通過圖片展示葉綠體的亞顯微立體結構及其葉綠素的分子結構，師生共同分析色素提取的原理、方法及其注意事項。學生思考，教師引導，師生共同總結出提取色素的方法及其注意事項：通過機械的方法磨碎細胞膜、葉綠體膜、類囊體膜等生物膜結構，由于葉綠素分子很不穩定，其中的鎂元素很容易被酸性物質中的氫離子取代，從而被破壞，并由綠色變為褐色，所以在機械破碎的同時要加入碳酸鈣中和細胞內容物中的酸性物質；由于色素分子為脂溶性物質，所以用無水乙醇這一有機溶劑進行提取。教師在總結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。

設計意圖：回顧所學內容，引導學生從結構與功能觀的角度分析歸納，總結出實驗原理；小實驗的設計使學生能夠親身體驗“實踐出真知”。

3.3 實驗預習考查，紙層析實驗的完成

教師向學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，并強調注意事項，同時發布任務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果的差異，進行討論，并試著解釋原因。在學生操作的過程中，教師走到學生當中，關注操作細節并及時糾正學生操作中的一些錯誤。

學生操作過程：用蓋玻片邊緣蘸取濾液，將其轉移至濾紙條距尖端2 cm處，稍作晾干后，再重復畫線，連續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(注意濾液細線不能浸入層析液中)；靜置裝置觀察實驗結果。

圖1

設計意圖：教師將課本上“綠葉中色素的提取與分離”實驗進行簡化，如濾液的準備、濾紙條的制備、層析裝置的準備，將毛細吸管改為兩個蓋玻片，保證實驗能夠高效、準確進行。課本上的“綠葉中色素的提取”已經于上節課完成，本節課是以該實驗結果為引子進行分析、建構模型、色素吸收光能等內容。讓學生通過簡單的實驗得出實驗結果，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,培養學生小組合作探究的精神。

3.4實驗結果分析，建構概念模型

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

學生通過投影儀展示自己的實驗結果，綠葉組的代表同時展示多個層析結果：都是4個條帶，和教師展示的結果一致。教師提問：為什么綠色的濾液在濾紙條上會呈現4個條帶？不同條帶的顏色如何？師生共同建構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果：都只有2個條帶。教師展示校園中銀杏葉在不同季節變黃的視頻，聯系生活實際,結合實驗結果分析原因。教師總結：銀杏葉由綠變黃是因為秋天溫度較低(外因)，葉綠素不穩定，葉綠素分子分解，使得葉片中絕大多數色素為類胡蘿卜素(內因)。紅背桂花組和一品紅組的代表同時展示多個層析結果，其結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，而且位于濾液細線上，說明什么？教師可以引導學生：細胞中還有哪些部位含有色素？其化學性質與光合色素有什么區別？學生通過回顧舊知，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，應如何設計實驗呢？學生分組討論并回答：將層析液換為清水，其他條件不變，進行層析。

設計意圖：通過學生描述實驗結果，培養學生語言表達能力；通過對實驗結果的分析，引導學生利用生物學知識解決生活中的實際問題；通過簡單的實驗設計，培養學生科學探究的能力及知識遷移的能力。

3.5 光合色素的功能，探究素養的形成

環節1：學科融合，對比歸納，總結功能

教師提問：色素呈現不同顏色與什么有關？學生回答：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構，引導學生找出這兩種分子結構相似的部分，學生仔細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，通過4個甲烯基連成1個卟啉環，Mg位于卟啉環的中央。如此一個巨大的共軛雙鍵系統，易與葉綠素以誘發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中單鍵和雙鍵的改變來吸收可見光。

設計意圖：進一步樹立結構與功能觀，由于這部分內容與有機化學相關聯，高一的同學還沒有接觸有機化學，故以教師講解為主。

環節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、藍色的手電筒，紅色、綠色、藍紫色的激光筆，白紙，通過榨汁機收集的綠色葉片的濾液。利用這些材料引導學生展開小組合作，正確完成拓展實驗，驗證光合色素對光的吸收功能。學生開展實驗，認真觀察實驗結果并記錄，探究實驗結束后由學生代表進行展示，并說出假說及其實驗的結果。教師展示科學家通過三棱鏡測得的不同色素的吸收光譜。

設計意圖：學生通過簡單實驗直觀地看到色素對紅光和藍光的吸收，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。通過提出問題、做出假說、設計問題、實驗驗證、得出結論的流程，為后續假說-演繹法的講解打下基礎。

環節3：觀察光合色素的熒光現象

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

材料和用具同樣是手電筒和濾液(圖2)，教師引導學生順著光源(反射光下)和逆著光源(透射光下)觀察濾液顏色。請學生回答觀察到的顏色并討論原因。學生較快地說出順著光源(反射光下)看到其呈現暗紅色，逆著光源(透射光下)看到的是綠色。學生小組討論，并回答原因，學生普遍認為是色素吸收光能以后表現出的結果，但由于學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(紅光波長較藍光長)。

圖2

設計意圖：通過熒光實驗，讓學生真實感受色素吸收光能后會有能量的轉化，為學習光合作用的理論知識做好鋪墊。

環節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鍵作用呢？結合不同顏色葉片的歸宿并說明理由。學生回答：不同，秋天黃色的葉片最終因無法進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，并介紹葉綠體上電子傳遞鏈(圖3)。

設計意圖：這部分內容是課本內容的延展，是近年高考的熱點，也是這節課的升華，讓學生體會生命的復雜性、系統性，更為接下來光合作用理論知識的學習打下基礎，有助于學生對能量轉化的理解；類囊體薄膜之所以是光合作用中光反應的場所，與其結構和膜上的物質相關聯。

3.6 課堂評價促教學

教師將課前準備好的評價量表(掃描文末二維碼可查看)發給學生,學生對本節的課堂表現完成自評和互評環節，教師課堂結束后盡快完成師評和總評，將表格及時反饋給學生。

設計意圖：《課程標準》的基本理念之一是學業評價促發展，以評價促進學生的學習與發展，重視評價的診斷作用、激勵作用和促進作用。提倡在評價中關注學生的個體差異和發展需求，幫助學生認識自我、建立自信，改進學習方式，促進學科核心素養的形成。以往教師評價形式較為單一，通常為紙筆測試，對學生的評價較片面，通過這種形式可以更全面地考查學生的探究能力。

4.教學反思

教師以“8種不同葉片中色素的分離”實驗結果為引，引導學生對不同葉片中色素的異同點進行歸納總結、匯報交流，并通過所學知識解釋自然現象。教師組織學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生整節課的表現進行評價，促進學生主動學習、積極探索。本節課很好地實現了學科核心素養的落地，不足之處是課堂時間較緊，導致學生展示時間較短，評價量表無法在課上完成。

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

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