通识教育指导的“建构”型高中生物实验课——以胡萝卜素的提取为例

甘肃 王兆胡 吴晓东

早期通识教育在高中阶段的课堂教学中已逐步渗透发轫于高考备考，顺应基础教育和高等教育接轨的趋势，通识教育应是一以贯之的教育方略。基于建构主义理论设计一节选修实验课面临着探索空间大、参照课例少、教学效果不稳定等诸多困难。鉴于上述现状，笔者尝试以《胡萝卜素的提取》为例设计一节以早期通识教育理念为指导的高中“建构”型实验课以期培养学生的学科素养。

一、课题准备

1.理论知识

（1）胡萝卜素简介

a.化学视角下认识胡萝卜素的分子结构：胡萝卜素的化学结构中央有相同的多烯链（包含多个碳碳双键），根据碳碳双键的数目将其主要划分为α、β、γ三种。β-胡萝卜素在胡萝卜素中分布最广，含量最多，在众多异构体中最具有维生素A生物活性，在绿叶中与叶绿素共同存在，胡萝卜的根里也有很多；α-胡萝卜素在绿叶和胡萝卜的根里与β-胡萝卜素共同存在，含量一般较少；γ-胡萝卜素在生物体内的分布则有限。

b.生化特性：胡萝卜素是橘黄色结晶，化学性质比较稳定，不溶于水、微溶于乙醇、易溶于石油醚等有机溶剂，铁离子可使其褪色。胡萝卜素是常用的食品橙色色素，广泛地用作食品、饮料、饲料的无毒添加剂以及化妆品新兴市场上，还可以清除自由基，抗衰老，预防和修复细胞损伤，近期发现天然的胡萝卜素还具有使癌细胞恢复成正常细胞的作用。β-胡萝卜素称为维生素A原，一分子β-胡萝卜素在人或动物的小肠、肝脏等器官可被氧化成为两分子的维生素A，因此可被用来治疗因缺乏维生素A而引起的各种疾病，如夜盲症、幼儿生长发育不良、干皮症等。

c.提取来源：从植物（如胡萝卜）中提取；从养殖的岩藻（如海带、马尾藻、裙带菜等）中提取；利用微生物发酵（如产氢红杆菌、工程菌等）生产。

（2）纸层析的原理及应用

纸层析法又称纸色谱法，是以纸为载体的色谱法。固定相一般为纸纤维上吸附的水分，流动相为不与水相溶的有机溶剂。纸层析法依据极性相似相溶原理，以滤纸纤维的结合水为固定相，以有机溶剂作为流动相。由于样品中各物质分配系数不同，而扩散速度不同，因此可达到分离的目的。常应用在环境分析测试中，有时用纸层析法分离测试样组分，也用于一些精度不高的组分分析。必修1叶绿体色素分离的实验中利用四种色素在层析液中的溶解度不同，分离出4条色素带，并由此可知各种色素的相对含量和种类。

（3）萃取剂

萃取胡萝卜素的有机溶剂应该具有较高的沸点，能够充分溶解胡萝卜素，并且不与水互溶。此外还需考虑萃取的效率、实验的安全性、取材的便捷性，综合考虑得出适合于萃取胡萝卜素的萃取剂是石油醚。

2.实施方案

（1）原料：胡萝卜粉碎干燥。

（2）萃取剂：石油醚。

（3）萃取效率的优化：萃取效率主要取决于萃取剂的性质和使用量，还受原料颗粒的大小、紧密程度、含水量，萃取的温度和时间等条件的影响。萃取的最佳温度和时间可通过设置对照实验来摸索。

（4）粗提装置的设计如图所示：

（5）结果分析：最佳萃取条件的优化；萃取获得的粗提液的处理；萃取液的浓缩；提取物的鉴定。

（6）提取物鉴定方案：纸层析法（如图）

（7）课题成果评价：

①总结提取胡萝卜素的最佳方案。学生分组选取不同溶剂和萃取时间，最后汇总数据比较各组实验结果，优化出最佳方案。

②层析带显示状态的解释与说明。从样品含有的杂质量、颜色比较等方面定性判断萃取质量。

二、课题实施

材料粉碎→材料干燥→水浴加热→冷凝回流→空间通风→纸层析法鉴定

三、课题整理

问题串：

1.用胡萝卜做食材的菜肴中浮油会呈现橘黄色，产生该现象的原因是什么？

2.如何将这些橘黄色的物质提取出来？浮油意味着什么？

3.选取的萃取剂需要符合哪些条件？

4.萃取之前需要对原材料做哪些处理？

5.联系已有化学知识，提取胡萝卜素的装置和蒸馏装置该如何安装？

6.鉴定提取物采取的方法在哪些物质的分析中还应用过？

7.层析装置组装需要注意哪些事项？请对纸层析的结果图进行说明。

8.有机溶剂萃取法还可应用于哪些动、植物有效成分提取？

9.尝试总结层析技术的基本原理。

10.结合课题3中蛋白质的提取和分离技术并借助网络和书籍梳理色谱技术。

四、课例理解

1.生物实验教学的出发点是学科核心素养

当下生物实验课堂上知识教学发生着三种习惯性的演变：首先，知识教学狭化为具体知识点的教学，而对知识背后的学科方法、学科思想和学科价值等的挖掘不够。其次，知识教学演变为符号形式的教学，而对知识所蕴含的逻辑根据、思想方法和价值意义一带而过。再次，知识教学囿于知识本身的教学，而较少关注其认识来源、类型差异、共同属性以及这些知识之间的组织结构。对于实验教学来说，应该“两个拳头”都得硬，一是理论知识储备，二是动手能力培养。只有教师更新观念，才会引导学生建构和获得高质量的知识，才能培育学科核心素养。

2.培养学科核心素养中的自我建构

学生学科核心素养的发展不仅与学生建构和获得知识的结果质量有关，而且还与学生建构和获得知识的过程、质量和方式有关。从方法论上讲需要教师从学习的本质和学科核心素养的特性两个方面展开思考。常规实验教学难以有效培养学生的学科核心素养的一个重要原因是偏离了学习的本质，即学生没有自主建构。生物实验课的教学在操作层面上应关注深度学习，即要求学生对知识的建构过程是连续的、纵深的和整体的。

3.实验教学中培育学科核心素养

大量的课堂实践经验和学习理论表明，有利于学生学科核心素养发展的学习状态必须满足两类条件：第一，从知识的活化到知识的整合；第二，从知识的内化到知识的外化。生物学科素养的培养最终还是由学生通过领悟而成，最终要实现将外在的知识转化为自己的知识，再通过表达与交流、迁移与运用将知识外化出来。

4.生物实验教学的基本设计思路

在实际的实验教学当中通常采取构建思维导图和问题解决式学习来弥补课堂教学机械化操作的不足。本文所引案例的学习策略包含了如下内涵：问题解决式学习的精髓在于实现知识学习路径的翻转，即知识线索翻转为问题线索；立足“学生—学科—生活”来设计真实的学科问题；谋求过程内发生真实而深刻的转变，即从内源性学习到生成性学习的学习方式的转变。问题驱动的整合式教学有利于培养学生生物学科核心素养，也是在通识教育理念下展开的广域深度学习。为了设计出接近真实的学科问题，教师应采取“1+n”的学科问题设计思路。其中，“1”指在课堂中居于核心地位，对其他问题起着统领和整合作用的学科核心问题或核心概念；“n”指围绕学科核心问题而自然生成的学科子问题，同时要兼顾STSE（科学—技术—社会—环境）类问题的设计。学科子问题的设计需要遵循三个基本要素：学生认知顺序性、各个学科子问题之间内在逻辑性、体现层次性和阶梯性的纵深化处理。借助学科核心问题和学科子问题，共同构成了驱动学生学习的学科问题群以不断激发学生的学习潜力和提升学生的学习水平，进而达到通识化学习和深度学习。

在此思路下，教师须基于大量的课堂经验把握四个操作要领：第一，把握教材内容所传递的学科本质信息；第二，捕捉学生内源性学习力的激活点；第三，寻找教学内容与现实生活事物的连接点；第四，具有“Bio-X”为基础的学科交叉备课准备。通识教育的初级阶段需要初步的学科交叉、打破文理。如果没有这种跨学科融合的超前意识，备出的课总显单调枯燥，并没有揭示出学科生态关系，对学科生态位的理解也是模糊的。

5.以通识教育为归宿的生物实验教学实践

通识教育极其广博，就生物学科而言主要体现在树立正确的生命观、崇尚理性思维的培养、注重实际问题的科学探究和增强社会责任意识。笔者基于以上认识为本课制定了生物实验教学“双育”和“三维”目标的四个环节：环节一，核心目标—核心知识。在胡萝卜素的提取一课中，需要着重培养学生的学科核心素养是实验设计与动手操作能力。为了达成这个核心目标，教师需要着重引导学生建构与获得核心知识。环节二，核心知识—核心问题。将萃取法和纸层析技术作为本节课的核心知识，定为本节课的重点教学内容。这样还不足以体现通识性，应拓展其应用范围，如涉及色谱技术的简介，并结合人教版教材中出现的案例来揭示这类分析技术的应用。环节三，核心问题—子问题群。围绕萃取法的应用这个核心问题，可以将其分解成多个子问题来逐步认识萃取法的适用条件等。环节四，子问题群—活动序列。“知”与“行”的辩证统一。先做理论准备，再定实施方案，可以生成本节课的学习活动序列。

通过对本课例实实施过程实质上的考查，发现实施问题驱动的整合式教学要依次实现“四化”：一是目标的内容化，即将学科核心素养的培养目标转化成符合学科本质的教学内容，以核心知识为载体；二是内容的问题化，即将学生需要重点建构和获得的核心知识转化成一个学科核心问题；三是问题的次序化，即将学科核心的问题分解转化为一系列具有内在逻辑关系的学科子问题，符合学生解决问题与认知建构的心理规律；四是问题的活动化，以具体可检测评价的学习活动为载体，学习活动进程是根据学科子问题群的生成而同步推进的。借助以上四个转化，最终引导学生在解决问题的活动过程中自然而然的培养和发展了学科核心素养。