摘要:本文以叶绿体色素提取和分离实验的拓展设计为例，探讨了怎样通过“变定性为定量”“变验证为探究”“变个人为小组”来提高学生的科学探究核心素养水平。
关键词:科学探究;生物学核心素养;实验设计
1科学探究核心素养的要求
科学探究是生物学学科核心素养之一，是指学生发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。依据《普通高中生物学课程标准(2017年版)》(以下简称“新课标”)，高中阶段学生应达到的“科学探究”核心素养由低到高，共四个水平层次。从表1可见，高中学生生物学科学探究能力要求的起点是“能规范实施给定方案，得出所给定问题的结论”，最终要达到“在现实中发现有效问题，并能根据条件设计可行的方案，实施方案得出合理结论”。在此过程中，学生的实验操作技能、分析数据和现象的能力也在不断加强。在高中生物学教学中，实验是发展学生科学探究素养的最佳方式。然而，当前生物学教材中的实验，一是定性实验多，重现象观察，轻数据收集和分析;二是验证实验多，问题和方案均已给定，学生创新设计和探究的机会少;三是实验工作量少，学生单人即可完成实验，不利于培养学生沟通合作的能力。因此要使学生的科学探究素养得到真正发展，要将教材实验进行适当拓展，如变定性实验为定量实验，让数据收集与分析成为必需，让团队合作和交流成为必要;变验证实验为探究实验，让学生自主设计实验成为必然。
2实验拓展
2．1教材实验分析
“叶绿体色素提取和分离”是高中生物学中的经典实验。现有教材中，这是一个验证性实验，学生根据教材的步骤进行实验操作，最终层析得到叶绿体的四种色素条带。学生能掌握提取和分离色素的原理和具体的操作方法，证实叶绿体中光合作用色素的存在。实验设计简单，从新课标对科学探究水平要求看，属于水平一的要求。光合作用的内容，不仅涉及物质与能量转换等生物学机理，也涉及到环境因素对光合作用影响以及在生产实践中的应用等。因此，光合作用相关的实验可以设计成为适合更高水平层次要求的探究实验，培养学生的科学探究能力。
2．2拓展一
测量叶片中各种光合色素含量纸层析得到的色素条带仅能大略反映叶绿素含量多于类胡萝卜素，但无法告知每种色素的具体含量，怎样测出叶片中各种色素的具体含量呢?
2．2．1介绍收集数据的新方法———分光光度法
某物质的溶液在特定波长(该物质的最大吸收波长)光照下的吸光度值与溶液中该物质的浓度具有一定的比例关系，因此可以通过测量溶液的吸光度值计算溶液浓度，这种方法叫作分光光度法。以95%乙醇为提取液，在不分离叶绿体色素提取液中各色素的情况下，分别测定665nm、649nm(分别是叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰)和470nm的吸光度数值，可由下列公式计算出提取液中叶绿素a(Ca)、叶绿素b(Cb)和类胡萝卜素(Cxc)的浓度(单位为mg/L)。
2．2．2指导学生自主设计实验方案
学生已学习了提取叶绿体色素的方法，再结合可以测出溶液中色素浓度的分光光度法，可以设计出初步方案(表2)。该拓展实验的特点是定量，实验最终目的是得到单位质量叶片中色素的质量，这需要通过测量或计算得到叶片的质量及其提取出的各种色素的全部质量。基于此，表2所示的学生初步方案存在不足之处，需要改进，如:在研磨前称量叶片质量，过滤后测量滤液体积。滤液中色素浓度的测量尤为关键，为减少误差需要将叶片中所有色素都收集到滤液中，即所有存在色素残留的用具和材料都要充分润洗和过滤。另分光光度计是根据溶液的吸光度值估算色素浓度的，若滤液中存在其他非色素杂质(CaCO3等)会影响结果准确性，因此孔径较大的尼龙纱布不适于过滤提取液，需换作滤纸。教师提供所需仪器、试剂，但用50mL棕色容量瓶代替量筒，锻炼学生根据实际条件调整实验方案并实施实验的能力。有了容量瓶，学生只需通过添加提取液将滤液总体积定容到50mL即可，无需测量体积，且计算更简便;由此延伸，为方便计算，可考虑称取定量叶片进行实验。学生经过小组讨论确定最终实验方案。
2．2．3学生实施方案并交流结果
学生以小组为单位完成实验，得出结果(表3)，从表中可以看到，菠菜叶片中光合色素的含量是叶绿素a＞叶绿素b＞类胡萝卜素。学生发现彼此的实验数据不尽相同，有些甚至存在显著差异，教师启发学生思考并讨论造成实验数据差异的原因，可能是由于个体的实验操作差异，更可能是所选用实验材料不同，色素含量本就存在差异。针对这个问题，引导学生进一步探索。
2．3拓展二
探究不同叶龄叶片中光合色素含量的差异通过观察不同叶龄菠菜叶片的颜色，学生发现最中心的幼嫩叶片绿色较浅并泛黄色，由内向外，叶片逐渐成熟，面积增大且颜色逐渐变为深绿色，他们会形成一个直观印象，即随着叶片叶龄的增加，叶片中各种色素的量也在不断变化。那么究竟是怎样变化的呢?学生提出“探究不同叶龄叶片中各种色素含量的差异”，在拓展一中学生已经掌握了测量叶片中各种色素含量的方法，此探究是可行的。
2．3．1设计探究实验方案
在该探究实验中，自变量是叶片的叶龄，因变量是提取到的各种色素的质量，学生需要设置3组平行对照，实验材料(图1)分别选用中心区幼嫩叶片、中间区的中等成熟叶片、靠外区的成熟大叶片(注:枯黄衰老的叶片弃掉，或者也可考虑将其单独设为一组)。其他操作都和拓展一实验步骤相同。
2．3．2实施方案并交流结果
为排除无关变量对实验造成影响，拓展二中的三组操作需要同时进行，学生个人无法完成实验，必须以小组为单位实施实验，且小组内要沟通协调好，有助于发展学生与人合作进行探究活动的能力。学生收集相关实验数据，通过运算得出菠菜不同叶龄叶片中各种色素的含量(表4)，通过对比分析，可得出以下结论:①不同叶龄的菠菜叶片，叶绿素含量都显著高于类胡萝卜素;②幼嫩叶片中，叶绿素a和叶绿素b含量相当，而类胡萝卜素含量极低;③中等成熟及成熟叶片中叶绿素a含量显著多于叶绿素b，类胡萝卜素含量最低。教师可启发学生结合实验结果解释不同叶龄叶片的颜色差异，如幼嫩叶片因为叶绿素b占比大，所以呈现黄绿色，而成熟叶片中叶绿素总量增加特别是叶绿素a含量远大于其他色素含量，故呈现深绿色。教师可进一步要求学生将数据以更直观的形式展现，如分别以叶龄、色素含量为横、纵坐标建立坐标图，绘制曲线(图2)，曲线图属于数学模型，以数学方法分析和展示实验结果，这是新课标对科学探究中数据处理的最高要求水平，这不仅能够提高学生的数据分析处理能力，而且有助于学生解读数据，总结规律。据图可知，叶片发育成熟过程中，叶绿素(特别是叶绿素a)含量显著增加，叶绿素b含量略有增加，而类胡萝卜素含量虽有显著增加，但远低于叶绿素，约占色素总量的1/6～1/7。学生通过交流讨论和查阅资料，推测叶绿素的变化应该与光照有关，因为光是影响叶绿素形成的主要因素，刚萌出的幼嫩叶片叶绿素含量较少，但在接受了充分光照后叶绿素会显著增加;此外，在光合作用中叶绿素a有其他光合色素所不具备的转化光能的功能，正常叶片中叶绿素a含量最多，是叶绿素b含量的3倍左右，实验结果与此基本相符。
3反思与体会
将教材中的定性实验拓展为定量实验，大大拓宽了可探究问题的范围。本文中，能测量色素浓度，学生才能进一步探究随叶片的生长发育，各种色素含量的变化趋势，不仅可以锻炼学生分析处理数据的能力，更能激发学生自主探究的兴趣，并在探究中催生新的探究问题。学生在探究过程中，逐步增强对自然现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本方法，提高实践能力。本文实验还可以考虑向其他方向拓展，如探究不同种类植物叶片色素含量差异，探究研磨中加入的CaCO3对不同色素的保护作用，以及根据滤纸上的色素条带一段时间后会淡化消失，教师可启发学生探究光对色素的影响等。实际教学中课时有限，很难在课堂上进行实验拓展，一方面可以利用选修课、社团课或研究性学习等时间开展，另一方面可以提供背景知识，仅让学生去设计实验并讨论完善方案。
作者:殷亚妮 单位:江苏省南京师范大学附属中学
