基于真实情境的生物学实验探究

张泰

摘要 以“绿叶中色素的提取和分离实验”为例，进行了基于真实情境的生物学实验探索与实践研究，从而总结有效的生物实验课堂教学策略，实现教学相长。

关键词真实情境 实验教学 科学探究 光合色素

中图分类号 G633.91              文献标志码 B

实验教学是生物学教学的基本形式之一，對于激发学生学习兴趣，提高思维水平，提升实践能力，建立生命观念等方面都具有重要作用，是达成学科素养的必要途径。探究性实验即教师不直接告诉学生实验现象和实验结论，而是让学生带着疑问，自己动手进行观察实验，在实验过程中去探究、发现、获得新知识。这种实验教学与科学探究紧密联系，更符合认知的规律，有利于培养学生的创新精神和解决实际问题的能力。学习的发生离不开情境的营造，好的情境不应是简单抽象的，相反，从生产、生活及学生经验出发的，通俗易懂的真实情境才能让学习有效的开展。基于真实情境的探究性实验把实验和现实社会联系起来，与社会责任对应起来，可以增强学生的责任担当。

以人教版《必修1·分子与细胞》第五章第四节中“绿叶中色素的提取和分离”实验为例，开展基于真实情境的生物学实验探究。细胞的生活不但需要物质基础，更需要能量的驱动。本实验让学生在亲身体验中获得实践感知，既明确了色素是绿色植物吸收光能的物质基础，也为通过光合作用初步建立生物学的物质与能量观做好铺垫。教师可将上述实验与有关探究活动相联系，在寻根究底的过程中，帮助学生体验到该实验在光合色素研究中的科研价值，更为学生在新情境下应用此实验解决相关问题奠定基础。本实验教学流程如图1所示。

1 提出真实问题

真实情境源于生活、生产，我国著名教育家陶行知就曾提出“生活即教育”的理论，他认为教育要通过生活才能发出力量而成为真正的教育。好的真实情境充满生活化的气息，更易激发学生的求知欲，它的作用不仅是吸引学生的兴趣，还能将学生的兴趣引向对问题的思考，以问题驱动学习，引导合作、探究；好的真实情境强调贯穿性，注意前后呼应，不是止于课堂的导入，而是串联教学的始终，它是课堂的主线，指引着学生沿着“发现问题→解决问题→进一步研究问题”的路线前进。探究真实情境中的真实问题不仅直接锻炼学生的科学思维和科学探究能力，还间接影响生命观念和社会责任的达成，是落实生物学核心素养的关键。

1.1发现问题，做出假设

“十八学士”是茶花中的一种名贵品种，在南通一中校园的旗杆下左右对称栽种了甲乙两株，而乙这株长在教室的背阴面，走进仔细观察发现它们叶片的颜色存在明显的差异，创设此情境引导学生根据叶片的颜色及茶花生活的环境解释产生差异的原因。学生分析提出光照影响绿叶中色素含量这个假设。常见现象的背后常隐藏生命的奥秘，科学发现往往是从对常见现象的追问开启的，这样的设计可以促使学生热爱生命并关注常见的生命现象。

1.2设计实验，验证假设

该环节意在让学生尝试设置对照实验，学习控制自变量和无关变量，观察和检测因变量，最终能用科学的思维方法对问题展开探讨。学生首先要确定实验的自变量、因变量及可能的无关变量。自变量：光照强度。因变量：绿叶中色素含量。可能的无关变量：茶花的长势、浇水、施肥的情况等。学生在此基础上初步提出实验的简要思路：（1）取长势一致的同品种茶花若干株均分为两组。（2）实验组在弱光照条件下（遮阴）生长，对照组在充足的自然光照条件下（不遮阴）生长。（3）两组茶花都同时的适量浇水和施肥，其余因素都保持一致且适宜。（4）每隔一段时间后分别摘取两组茶花叶片若干，通过提取绿叶中的色素进行检测。对此思路交流讨论后，学生进一步优化实验的设计：实验组在弱光处理一段时间后恢复充足光照并生长一段时间，检测改变光照强度前后实验组绿叶中色素的含量。

按上述设计开展探究活动需要很长的时间，本课可直接利用校园中的这两株茶花叶片进行色素的提取和分离实验。引入主题的同时更体现了进行该实验的意义，由此获得的知识和经验也更易迁移和应用。

2 开展真实操作

学科核心素养的提升关键之一是“做”，开展真实实验操作就是实现这一目的的重要渠道。为解决一个真实的问题往往会派生出若干相关的问题，实验的操作过程中也是如此，新问题、新想法时有发生，教师要敏锐地捕捉住它们，利用好这些新出现的真实情境引导学生主动的去探究和解决。

2.1提取绿叶中的色素

播放兴趣小组提取茶花叶片中色素的视频并分析无水乙醇、碳酸钙、二氧化硅的作用。展示茶花叶片及菠菜叶片研磨的结果。学生发现茶花叶片的表层具有较厚的蜡质层，且叶片厚而坚韧，研磨后无法充分破碎，影响叶绿体中色素的释放。为解决这一问题，学生给出研磨前叶片剪得更细碎些，研磨时多加二氧化硅或用榨汁机研磨的建议。兴趣小组的同学依此改进操作但效果仍不佳。教师借此引导学生掌握更多研磨和提取的方法。拓展资料：液氮的温度为-196℃，该温度下细胞完全冻硬，脆性增加，但其含有的各种组分不易破坏。学生据此提出了液氮研磨法：使用液氮处理叶片，叶片瞬间凝结，脆性增加，研磨后极易粉碎，可充分释放其中的色素。生物兴趣小组的同学在老师的帮助下用该方法研磨茶花叶片。色素提取时，提取液所含成分、温度、光照、质量体积比都会影响提取的效果，兴趣小组的同学查阅文献后最终确定提取方案如下：用丙酮：乙醇：水=4.5：4.5：1的提取液提取，在-4℃的黑暗条件下，以1：100的质量体积比浸泡提取茶花叶片10分钟。受限于实验的条件及操作的难度，无法全班开展茶花叶片的色素提取实验，但在解决真实实验问题的过程中，拓展了学生的视野，开启了学生的思维，使教学内容更生动有趣。

2.2分离绿叶中的色素

教师提问：绿叶中的色素不只一种，哪几种色素的含量会受光照影响？问题驱动学生自主从书本中获取绿叶中色素的种类、颜色、含量等相关知识，思考并提出后续实验探究思路：开展绿叶中色素分离的实验，通过比较甲（向阳生长）、乙（长在背阴面）两株茶花叶片中不同色素的含量来得出结论。播放兴趣小组分离茶花叶片的色素视频，帮助学生进一步明确色素分离的操作要点。教师用手机同屏的功能捕捉学生的实验情况及结果并及时展示。

2.3实验操作改进及分析

较好的实验结果是得出正确实验结论的基础，教材上的色素分离操作过程看似简单，但要获得理想结果并不容易，教师可对实验器材及实验操作方法进行相应改进，增加实验的可操作性，提高实验的成功率，提升实验的效果。

改进优化一：滤液细线的画法。在载玻片上滴加2滴色素提取液，并用盖玻片将滤液推成涂片，待涂片半干时，用盖玻片把色素刮起，在滤纸条的铅笔线处快速划过，重复几次，即可获得滤液细线。

改进优化二：盛层析液容器的改进。用合适尺寸的带盖透明塑料罐作为容器进行层析，盖子上开四到五个长条形的孔，再将画有滤液细线的滤纸条从小口中插入，即可同时进行多条滤纸条的悬垂式层析，且互不干扰。

学生通过比较改进前后的效果及实验装置，深刻领悟实验操作的要领，提升实验的操作技能，增强探究的能力。通过实验效果的分析，学生发现用毛细吸管画滤液细线，因画线过程中常出现停顿而引起滤液细线过粗且不直，最终导致不同色素带重叠，分离效果不佳，进而领悟到画法要领“细、直、匀”的意义。通过改进装置的分析，学生小结出盛层析液容器改进的原因：①滤纸条不易贴壁②一次可同时进行多条滤纸条的色素分离实验，且互不干扰。③实验过程中不会打开装置顶盖，因而减少了层析液的挥发，避免实验者吸入过多的层析液。

2.4分析实验结果得出实验结论

学生对获得的实验结果的分析发现，比较叶绿素 a和b 的色素带宽度，甲株茶花明显宽于乙株，而另两种色素的条带宽度无明显差异，这表明甲株茶花叶绿素 a 和b 含量明显高于乙株，而类胡萝卜素的含量无太大差异，因此光照能影响绿叶中叶绿素的含量。有关研究表明无论是在叶绿素的形成过程还是捕获光能的过程中，叶绿素在它的整个生命周期中都离不开光的参与和作用。

3 拓展真实研究

让源于生活的知识回归到生活中去，教育的目的就是为了让学生适应未来生活发展和个人生活需要。这就要求教师在书本知识和生活实践间建立起桥梁，帮助学生能活用知识解释生活现象，指导生活实践。在我们的生产生活中，光照影响植物生长发育的例子不胜枚举，正是教学素材的集中地，从中发掘可用素材并学以致用，不仅能进一步的拓展真实研究，还能切实提高学生的学科核心素养。

研究真实素材一：唐宋以后“黄化”素菜开始流行，通过黄化手段产出的素菜更柔嫩、纤维更少，韭黄就是其中之一。元代王祯的《农书》中有“不见风日，其叶黄嫩，谓之韭黄，豪贵皆珍之”的记载。请同学们试着分析韭黄的成因，并给出简要的实验思路进行验证。

研究真实素材二：某小区两幢高楼之间的一块草坪，这里的草长势稀疏。相比较而言，学校教学楼后的一块草坪，草木生长旺盛。请同学们针对上述的现象，给小区的物业提出合理的绿化建议。

真实素材一的创设是基于先前的探究实验，学生在此基础上迁移和应用所学知识解释韭黄的成因，加深光照会影响叶绿素合成的认知。真实素材二的创设是从学生认知结构出发，适当走在最近发展区的前面，引导学生发现虽然植物的生长离不开光，但不同植物对光照的需求量不同，进而提高学生的认知水平并成功解决相关问题。真实素材二是紧贴现实生活问题创设的，还能培养学生服务社会的意识，激发出他们的社会责任感。

4 总结

创设真实的情境是成功开展实验的基础，源于生产生活的情境素材具有多样化、趣味化等的特点，但教师也要根据教学目标和学生认知水平，精心加工改编后使用，才能达到串联不同教学模块，引导学生思考探究的目的。问题驱动是有效推进实验开展的手段。好的问题能引起学生的共鸣，激发学生的求知欲，驱动学生主动利用相关实验来开展探究活动。因此问题的设置要具体且指向明确，前后问题相互关联，层层递进，才能启智促思。基于真实情境下的实验探究若能系列化、模块化，进而形成可覆盖全书知识内容的完整体系，实验课堂的广度将涉及生活的方方面面，实验课堂的深度将直指核心素养的达成。

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