基于科学探究素养发展的教学设计——以“捕获光能的色素”为例

福建 武汉琴

本文以高中生物学“捕获光能的色素和结构”这一节为例，基于教材中的实验，改进实验流程，缩短实验时间，并增加了实验结果分析、实验拓展、课堂评价等环节。通过设计多个学生活动，引导学生主动发现问题、提出问题，并利用实验寻找证据，让学生在真实情景中感悟生命，阐释生命现象及规律，形成生命观念，同时提高其科学思维、科学探究等学科核心素养。

“捕获光能的色素和结构”是人教版高中生物学教材必修1《分子与细胞》第5章第4节的内容，本节只选取了其中的第一部分“捕获光能的色素”为教学内容。依据《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)的内容要求，与本节课有关的次位概念是“说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量”，重要概念是“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”，大概念是“细胞的生存需要能量和营养物质”。新课程实施的最大特点是“内容聚焦大概念”，大概念的形成离不开重要概念和次位概念的支撑或者大量事实证据的支撑。实验探究活动是形成概念的重要途径之一，其为概念的形成提供直接证据。开展以科学探究素养为特点的主动学习是帮助学生理解相关生物学概念的重要途径，同时还能激发学生学习的积极性和求知欲。教师一定要做好探究实验与生物学概念的对接，这样才能真正落实课程要求和教学目标。

基于《课程标准》、学业要求及学科核心素养的要求，笔者制订以下教学目标：

(1)能够通过分析叶绿素分子的结构理解色素提取及其分离的原理、色素能够吸收光能的原因，初步形成结构与功能观；
能够分析实验结果及其出现异常现象的原因，简述不同颜色叶片中色素的类型。

(2)通过分析不同叶片的色素分离结果，总结出不同绿叶中色素的共同点；
比较银杏叶的颜色变化，分析影响色素的环境因素，培养学生归纳与概括的能力及理论联系实际的科学思维。

(3)学会运用正确的操作方法进行实验，认同层析法在科学研究中的重要性；
能够对实验结果进行正确的分析并尝试改进实验，培养学生发现问题、提出问题、解决问题的科学探究能力。

(4)通过分组，培养学生合作探究、正确表达以及与人交流的能力；
通过课后拓展，关注生物学科与物理学科、化学学科等自然学科之间的密切关系，培养学科融合、严谨的科学态度；
关注生活中的情境，培养学生热爱自然的社会责任感。

3.1 课前准备

教师课前准备8种植物叶片的色素提取液，8种植物色素提取液颜色分别是绿色(韭菜、菠菜、万年青、爬山虎、银杏)，黄色(银杏)，红色(一品红)，正面绿色背面红色(红背桂花)。提取液制作的具体方法是将不同的叶片去掉叶脉，放入榨汁机中加入适量的无水乙醇和碳酸钙进行榨汁，然后用纱布过滤；
教师提供改进的层析容器、提供剪好的滤纸条。

设计意图：节约课堂中提取色素的时间，8种叶片颜色包括绿色、黄色、红色，这8种滤液用于层析，可比较不同叶片色素种类的异同，其中菠菜滤液还可用于拓展实验(光合色素的荧光现象)；
提供层析容器的目的是让学生能够得出准确的实验结果，以便后续课堂的顺利推进。

3.2 创设问题情境，导入新课

教师通过图片展示叶绿体的亚显微立体结构及其叶绿素的分子结构，师生共同分析色素提取的原理、方法及其注意事项。学生思考，教师引导，师生共同总结出提取色素的方法及其注意事项：通过机械的方法磨碎细胞膜、叶绿体膜、类囊体膜等生物膜结构，由于叶绿素分子很不稳定，其中的镁元素很容易被酸性物质中的氢离子取代，从而被破坏，并由绿色变为褐色，所以在机械破碎的同时要加入碳酸钙中和细胞内容物中的酸性物质；
由于色素分子为脂溶性物质，所以用无水乙醇这一有机溶剂进行提取。教师在总结的过程中穿插一个小实验：将盐酸滴加到绿叶的无水乙醇提取液中，观察颜色的变化情况。

设计意图：回顾所学内容，引导学生从结构与功能观的角度分析归纳，总结出实验原理；
小实验的设计使学生能够亲身体验“实践出真知”。

3.3 实验预习考查，纸层析实验的完成

教师向学生展示通过榨汁机提取好的多种色素(不同组实验桌上摆放有不同的滤液)，教师通过微课展示层析实验步骤，并强调注意事项，同时发布任务1：①两人一组完成层析过程。②层析分离后滤纸条上先后排列几条色素带？比较其颜色。③与前后桌的小组比较实验结果的差异，进行讨论，并试着解释原因。在学生操作的过程中，教师走到学生当中，关注操作细节并及时纠正学生操作中的一些错误。

学生操作过程：用盖玻片边缘蘸取滤液，将其转移至滤纸条距尖端2 cm处，稍作晾干后，再重复画线，连续3～4次；
将带有滤液的滤纸条尖端朝下插入已备好的层析器皿(图1)中(注意滤液细线不能浸入层析液中)；
静置装置观察实验结果。

图1

设计意图：教师将课本上“绿叶中色素的提取与分离”实验进行简化，如滤液的准备、滤纸条的制备、层析装置的准备，将毛细吸管改为两个盖玻片，保证实验能够高效、准确进行。课本上的“绿叶中色素的提取”已经于上节课完成，本节课是以该实验结果为引子进行分析、建构模型、色素吸收光能等内容。让学生通过简单的实验得出实验结果，体会层析法在分离色素中所起的重要作用，体会实验的乐趣,培养学生小组合作探究的精神。

3.4实验结果分析，建构概念模型

在学生等待层析结果的过程中，教师展示预实验及其同心圆层析的结果，组织学生进行结果展示，每种颜色的滤液以一位同学为代表进行实验结果的汇报。

学生通过投影仪展示自己的实验结果，绿叶组的代表同时展示多个层析结果：都是4个条带，和教师展示的结果一致。教师提问：为什么绿色的滤液在滤纸条上会呈现4个条带？不同条带的颜色如何？师生共同建构绿叶中光合色素的概念模型。黄叶组的代表同时展示了多个层析结果：都只有2个条带。教师展示校园中银杏叶在不同季节变黄的视频，联系生活实际,结合实验结果分析原因。教师总结：银杏叶由绿变黄是因为秋天温度较低(外因)，叶绿素不稳定，叶绿素分子分解，使得叶片中绝大多数色素为类胡萝卜素(内因)。红背桂花组和一品红组的代表同时展示多个层析结果，其结果与其他绿色叶片组相比多1条红色色素带，即总共有5个色素条带，多出的1条红色条带位于滤液细线上。教师提问：为什么红色叶片会多1条色素带，而且位于滤液细线上，说明什么？教师可以引导学生：细胞中还有哪些部位含有色素？其化学性质与光合色素有什么区别？学生通过回顾旧知，说出液泡中也含有色素(花青素)，而且是水溶性的，所以在有机溶剂(层析液)中溶解度非常小，不能扩散，就停留在滤液细线上。教师反问：如果想要让红色条带随层析液的扩散而扩散，应如何设计实验呢？学生分组讨论并回答：将层析液换为清水，其他条件不变，进行层析。

设计意图：通过学生描述实验结果，培养学生语言表达能力；
通过对实验结果的分析，引导学生利用生物学知识解决生活中的实际问题；
通过简单的实验设计，培养学生科学探究的能力及知识迁移的能力。

3.5 光合色素的功能，探究素养的形成

环节1：学科融合，对比归纳，总结功能

教师提问：色素呈现不同颜色与什么有关？学生回答：吸收的光能。教师接着提问：色素分子为什么能够吸收光能呢？教师同时展示叶绿素分子与血红蛋白分子的部分结构，引导学生找出这两种分子结构相似的部分，学生仔细观察并说出二者相似的部分。教师接着讲解叶绿素分子能够吸收光能的原因：叶绿素分子的头部含4个吡咯环，通过4个甲烯基连成1个卟啉环，Mg位于卟啉环的中央。如此一个巨大的共轭双键系统，易与叶绿素以诱发共振的方式传递能量。尾部为1个脂肪烃链，有利于嵌入到类囊体薄膜中。叶绿素分子通过卟啉环中单键和双键的改变来吸收可见光。

设计意图：进一步树立结构与功能观，由于这部分内容与有机化学相关联，高一的同学还没有接触有机化学，故以教师讲解为主。

环节2：动手操作，一探究竟

教师提问：光合色素主要吸收什么光？不同色素的吸收光谱是否一样？尝试做出假说并设计实验证明假说是否成立。教师展示拓展实验的材料和用具：白色、绿色、红色、蓝色的手电筒，红色、绿色、蓝紫色的激光笔，白纸，通过榨汁机收集的绿色叶片的滤液。利用这些材料引导学生展开小组合作，正确完成拓展实验，验证光合色素对光的吸收功能。学生开展实验，认真观察实验结果并记录，探究实验结束后由学生代表进行展示，并说出假说及其实验的结果。教师展示科学家通过三棱镜测得的不同色素的吸收光谱。

设计意图：学生通过简单实验直观地看到色素对红光和蓝光的吸收，这为“叶绿体中的色素能够吸收光能”这一具体概念的形成提供了有力的证据。通过提出问题、做出假说、设计问题、实验验证、得出结论的流程，为后续假说-演绎法的讲解打下基础。

环节3：观察光合色素的荧光现象

教师提问：植物体中的色素能够吸收光能并将其转化成化学能，完成光合作用。现在提取的色素能否进行光合作用呢？学生回答：不能。教师接着提问：大家都知道光合色素吸收的光能不稳定，那么光能如何转化呢？由此进行第2个拓展实验。

材料和用具同样是手电筒和滤液(图2)，教师引导学生顺着光源(反射光下)和逆着光源(透射光下)观察滤液颜色。请学生回答观察到的颜色并讨论原因。学生较快地说出顺着光源(反射光下)看到其呈现暗红色，逆着光源(透射光下)看到的是绿色。学生小组讨论，并回答原因，学生普遍认为是色素吸收光能以后表现出的结果，但由于学生对光谱的知识储备较少，未能说出真正的原因。教师简单地说明了荧光现象的原理：由于叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗于分子内部的振动上，反射出的荧光的波长总是比被吸收的波长要长一些。所以叶绿素溶液在入射光下呈绿色，而在反射光下呈红色(红光波长较蓝光长)。

图2

设计意图：通过荧光实验，让学生真实感受色素吸收光能后会有能量的转化，为学习光合作用的理论知识做好铺垫。

环节4：课外延展，知识升华

教师提问：叶绿素和类胡萝卜素对光的吸收是否相同呢？哪种色素在光合作用中起到了关键作用呢？结合不同颜色叶片的归宿并说明理由。学生回答：不同，秋天黄色的叶片最终因无法进行光合作用而衰老脱落。

教师介绍不同色素在光合作用过程中的功能及光系统，并介绍叶绿体上电子传递链(图3)。

设计意图：这部分内容是课本内容的延展，是近年高考的热点，也是这节课的升华，让学生体会生命的复杂性、系统性，更为接下来光合作用理论知识的学习打下基础，有助于学生对能量转化的理解；
类囊体薄膜之所以是光合作用中光反应的场所，与其结构和膜上的物质相关联。

3.6 课堂评价促教学

教师将课前准备好的评价量表(扫描文末二维码可查看)发给学生,学生对本节的课堂表现完成自评和互评环节，教师课堂结束后尽快完成师评和总评，将表格及时反馈给学生。

设计意图：《课程标准》的基本理念之一是学业评价促发展，以评价促进学生的学习与发展，重视评价的诊断作用、激励作用和促进作用。提倡在评价中关注学生的个体差异和发展需求，帮助学生认识自我、建立自信，改进学习方式，促进学科核心素养的形成。以往教师评价形式较为单一，通常为纸笔测试，对学生的评价较片面，通过这种形式可以更全面地考查学生的探究能力。

教师以“8种不同叶片中色素的分离”实验结果为引，引导学生对不同叶片中色素的异同点进行归纳总结、汇报交流，并通过所学知识解释自然现象。教师组织学生尝试验证绿叶提取液吸收光能的实验，师生共同探讨色素吸收光能的原理及其不同色素在光合作用中的作用，同时以多维量表对学生整节课的表现进行评价，促进学生主动学习、积极探索。本节课很好地实现了学科核心素养的落地，不足之处是课堂时间较紧，导致学生展示时间较短，评价量表无法在课上完成。

(基金项目：2020年福建省基础教育课程教学研究基地校课题“指向科学探究的高中生物学课堂学习评价的实践研究”，NO.MJYKT2020-081。)

(扫描上方二维码搜索本文可查看“科学探究活动 绿叶中色素的提取与分离”评价量表)

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