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摘要:本文以葉綠體色素提取和分離實驗的拓展設計為例，探討了怎樣通過“變定性為定量”“變驗證為探究”“變個人為小組”來提高學生的科學探究核心素養水平。
1科學探究核心素養的要求
科學探究是生物學學科核心素養之一，是指學生發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。依據《普通高中生物學課程標準(2017年版)》(以下簡稱“新課標”)，高中階段學生應達到的“科學探究”核心素養由低到高，共四個水平層次。從表1可見，高中學生生物學科學探究能力要求的起點是“能規范實施給定方案，得出所給定問題的結論”，最終要達到“在現實中發現有效問題，并能根據條件設計可行的方案，實施方案得出合理結論”。在此過程中，學生的實驗操作技能、分析數據和現象的能力也在不斷加強。在高中生物學教學中，實驗是發展學生科學探究素養的最佳方式。然而，當前生物學教材中的實驗，一是定性實驗多，重現象觀察，輕數據收集和分析;二是驗證實驗多，問題和方案均已給定，學生創新設計和探究的機會少;三是實驗工作量少，學生單人即可完成實驗，不利于培養學生溝通合作的能力。因此要使學生的科學探究素養得到真正發展，要將教材實驗進行適當拓展，如變定性實驗為定量實驗，讓數據收集與分析成為必需，讓團隊合作和交流成為必要;變驗證實驗為探究實驗，讓學生自主設計實驗成為必然。
2實驗拓展
2．1教材實驗分析
“葉綠體色素提取和分離”是高中生物學中的經典實驗?，F有教材中，這是一個驗證性實驗，學生根據教材的步驟進行實驗操作，最終層析得到葉綠體的四種色素條帶。學生能掌握提取和分離色素的原理和具體的操作方法，證實葉綠體中光合作用色素的存在。實驗設計簡單，從新課標對科學探究水平要求看，屬于水平一的要求。光合作用的內容，不僅涉及物質與能量轉換等生物學機理，也涉及到環境因素對光合作用影響以及在生產實踐中的應用等。因此，光合作用相關的實驗可以設計成為適合更高水平層次要求的探究實驗，培養學生的科學探究能力。
2．2拓展一
測量葉片中各種光合色素含量紙層析得到的色素條帶僅能大略反映葉綠素含量多于類胡蘿卜素，但無法告知每種色素的具體含量，怎樣測出葉片中各種色素的具體含量呢?
2．2．1介紹收集數據的新方法———分光光度法
某物質的溶液在特定波長(該物質的最大吸收波長)光照下的吸光度值與溶液中該物質的濃度具有一定的比例關系，因此可以通過測量溶液的吸光度值計算溶液濃度，這種方法叫作分光光度法。以95%乙醇為提取液，在不分離葉綠體色素提取液中各色素的情況下，分別測定665nm、649nm(分別是葉綠素a和葉綠素b在紅光區的吸收峰)和470nm的吸光度數值，可由下列公式計算出提取液中葉綠素a(Ca)、葉綠素b(Cb)和類胡蘿卜素(Cxc)的濃度(單位為mg/L)。
2．2．2指導學生自主設計實驗方案
學生已學習了提取葉綠體色素的方法，再結合可以測出溶液中色素濃度的分光光度法，可以設計出初步方案(表2)。該拓展實驗的特點是定量，實驗最終目的是得到單位質量葉片中色素的質量，這需要通過測量或計算得到葉片的質量及其提取出的各種色素的全部質量。基于此，表2所示的學生初步方案存在不足之處，需要改進，如:在研磨前稱量葉片質量，過濾后測量濾液體積。濾液中色素濃度的測量尤為關鍵，為減少誤差需要將葉片中所有色素都收集到濾液中，即所有存在色素殘留的用具和材料都要充分潤洗和過濾。另分光光度計是根據溶液的吸光度值估算色素濃度的，若濾液中存在其他非色素雜質(CaCO3等)會影響結果準確性，因此孔徑較大的尼龍紗布不適于過濾提取液，需換作濾紙。教師提供所需儀器、試劑，但用50mL棕色容量瓶代替量筒，鍛煉學生根據實際條件調整實驗方案并實施實驗的能力。有了容量瓶，學生只需通過添加提取液將濾液總體積定容到50mL即可，無需測量體積，且計算更簡便;由此延伸，為方便計算，可考慮稱取定量葉片進行實驗。學生經過小組討論確定最終實驗方案。
2．2．3學生實施方案并交流結果
學生以小組為單位完成實驗，得出結果(表3)，從表中可以看到，菠菜葉片中光合色素的含量是葉綠素a＞葉綠素b＞類胡蘿卜素。學生發現彼此的實驗數據不盡相同，有些甚至存在顯著差異，教師啟發學生思考并討論造成實驗數據差異的原因，可能是由于個體的實驗操作差異，更可能是所選用實驗材料不同，色素含量本就存在差異。針對這個問題，引導學生進一步探索。
2．3拓展二
探究不同葉齡葉片中光合色素含量的差異通過觀察不同葉齡菠菜葉片的顏色，學生發現最中心的幼嫩葉片綠色較淺并泛黃色，由內向外，葉片逐漸成熟，面積增大且顏色逐漸變為深綠色，他們會形成一個直觀印象，即隨著葉片葉齡的增加，葉片中各種色素的量也在不斷變化。那么究竟是怎樣變化的呢?學生提出“探究不同葉齡葉片中各種色素含量的差異”，在拓展一中學生已經掌握了測量葉片中各種色素含量的方法，此探究是可行的。
2．3．1設計探究實驗方案
在該探究實驗中，自變量是葉片的葉齡，因變量是提取到的各種色素的質量，學生需要設置3組平行對照，實驗材料(圖1)分別選用中心區幼嫩葉片、中間區的中等成熟葉片、靠外區的成熟大葉片(注:枯黃衰老的葉片棄掉，或者也可考慮將其單獨設為一組)。其他操作都和拓展一實驗步驟相同。
2．3．2實施方案并交流結果
為排除無關變量對實驗造成影響，拓展二中的三組操作需要同時進行，學生個人無法完成實驗，必須以小組為單位實施實驗，且小組內要溝通協調好，有助于發展學生與人合作進行探究活動的能力。學生收集相關實驗數據，通過運算得出菠菜不同葉齡葉片中各種色素的含量(表4)，通過對比分析，可得出以下結論:①不同葉齡的菠菜葉片，葉綠素含量都顯著高于類胡蘿卜素;②幼嫩葉片中，葉綠素a和葉綠素b含量相當，而類胡蘿卜素含量極低;③中等成熟及成熟葉片中葉綠素a含量顯著多于葉綠素b，類胡蘿卜素含量最低。教師可啟發學生結合實驗結果解釋不同葉齡葉片的顏色差異，如幼嫩葉片因為葉綠素b占比大，所以呈現黃綠色，而成熟葉片中葉綠素總量增加特別是葉綠素a含量遠大于其他色素含量，故呈現深綠色。教師可進一步要求學生將數據以更直觀的形式展現，如分別以葉齡、色素含量為橫、縱坐標建立坐標圖，繪制曲線(圖2)，曲線圖屬于數學模型，以數學方法分析和展示實驗結果，這是新課標對科學探究中數據處理的最高要求水平，這不僅能夠提高學生的數據分析處理能力，而且有助于學生解讀數據，總結規律。據圖可知，葉片發育成熟過程中，葉綠素(特別是葉綠素a)含量顯著增加，葉綠素b含量略有增加，而類胡蘿卜素含量雖有顯著增加，但遠低于葉綠素，約占色素總量的1/6～1/7。學生通過交流討論和查閱資料，推測葉綠素的變化應該與光照有關，因為光是影響葉綠素形成的主要因素，剛萌出的幼嫩葉片葉綠素含量較少，但在接受了充分光照后葉綠素會顯著增加;此外，在光合作用中葉綠素a有其他光合色素所不具備的轉化光能的功能，正常葉片中葉綠素a含量最多，是葉綠素b含量的3倍左右，實驗結果與此基本相符。
3反思與體會
將教材中的定性實驗拓展為定量實驗，大大拓寬了可探究問題的范圍。本文中，能測量色素濃度，學生才能進一步探究隨葉片的生長發育，各種色素含量的變化趨勢，不僅可以鍛煉學生分析處理數據的能力，更能激發學生自主探究的興趣，并在探究中催生新的探究問題。學生在探究過程中，逐步增強對自然現象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本方法，提高實踐能力。本文實驗還可以考慮向其他方向拓展，如探究不同種類植物葉片色素含量差異，探究研磨中加入的CaCO3對不同色素的保護作用，以及根據濾紙上的色素條帶一段時間后會淡化消失，教師可啟發學生探究光對色素的影響等。實際教學中課時有限，很難在課堂上進行實驗拓展，一方面可以利用選修課、社團課或研究性學習等時間開展，另一方面可以提供背景知識，僅讓學生去設計實驗并討論完善方案。
作者:殷亞妮 單位:江蘇省南京師范大學附屬中學
