生物實驗課通識教育研究

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早期通識教育在高中階段的課堂教學中已逐步滲透發軔于高考備考，順應基礎教育和高等教育接軌的趨勢，通識教育應是一以貫之的教育方略?；诮嬛髁x理論設計一節選修實驗課面臨著探索空間大、參照課例少、教學效果不穩定等諸多困難。鑒于上述現狀，筆者嘗試以《胡蘿卜素的提取》為例設計一節以早期通識教育理念為指導的高中“建構”型實驗課以期培養學生的學科素養。

一、課題準備

1.理論知識（1）胡蘿卜素簡介a.化學視角下認識胡蘿卜素的分子結構：胡蘿卜素的化學結構中央有相同的多烯鏈（包含多個碳碳雙鍵），根據碳碳雙鍵的數目將其主要劃分為α、β、γ三種。β-胡蘿卜素在胡蘿卜素中分布最廣，含量最多，在眾多異構體中最具有維生素A生物活性，在綠葉中與葉綠素共同存在，胡蘿卜的根里也有很多；α-胡蘿卜素在綠葉和胡蘿卜的根里與β-胡蘿卜素共同存在，含量一般較少；γ-胡蘿卜素在生物體內的分布則有限。b.生化特性：胡蘿卜素是橘黃色結晶，化學性質比較穩定，不溶于水、微溶于乙醇、易溶于石油醚等有機溶劑，鐵離子可使其褪色。胡蘿卜素是常用的食品橙色色素，廣泛地用作食品、飲料、飼料的無毒添加劑以及化妝品新興市場上，還可以清除自由基，抗衰老，預防和修復細胞損傷，近期發現天然的胡蘿卜素還具有使癌細胞恢復成正常細胞的作用。β-胡蘿卜素稱為維生素A原，一分子β-胡蘿卜素在人或動物的小腸、肝臟等器官可被氧化成為兩分子的維生素A，因此可被用來治療因缺乏維生素A而引起的各種疾病，如夜盲癥、幼兒生長發育不良、干皮癥等。c.提取來源：從植物（如胡蘿卜）中提?。粡酿B殖的巖藻（如海帶、馬尾藻、裙帶菜等）中提?。焕梦⑸锇l酵（如產氫紅桿菌、工程菌等）生產。（2）紙層析的原理及應用紙層析法又稱紙色譜法，是以紙為載體的色譜法。固定相一般為紙纖維上吸附的水分，流動相為不與水相溶的有機溶劑。紙層析法依據極性相似相溶原理，以濾紙纖維的結合水為固定相，以有機溶劑作為流動相。由于樣品中各物質分配系數不同，而擴散速度不同，因此可達到分離的目的。常應用在環境分析測試中，有時用紙層析法分離測試樣組分，也用于一些精度不高的組分分析。必修1葉綠體色素分離的實驗中利用四種色素在層析液中的溶解度不同，分離出4條色素帶，并由此可知各種色素的相對含量和種類。（3）萃取劑萃取胡蘿卜素的有機溶劑應該具有較高的沸點，能夠充分溶解胡蘿卜素，并且不與水互溶。此外還需考慮萃取的效率、實驗的安全性、取材的便捷性，綜合考慮得出適合于萃取胡蘿卜素的萃取劑是石油醚。2.實施方案（1）原料：胡蘿卜粉碎干燥。（2）萃取劑：石油醚。（3）萃取效率的優化：萃取效率主要取決于萃取劑的性質和使用量，還受原料顆粒的大小、緊密程度、含水量，萃取的溫度和時間等條件的影響。萃取的最佳溫度和時間可通過設置對照實驗來摸索。（4）粗提裝置的設計如圖所示：（5）結果分析：最佳萃取條件的優化；萃取獲得的粗提液的處理；萃取液的濃縮；提取物的鑒定。（6）提取物鑒定方案：紙層析法（如圖）（7）課題成果評價：①總結提取胡蘿卜素的最佳方案。學生分組選取不同溶劑和萃取時間，最后匯總數據比較各組實驗結果，優化出最佳方案。②層析帶顯示狀態的解釋與說明。從樣品含有的雜質量、顏色比較等方面定性判斷萃取質量。

二、課題實施

材料粉碎→材料干燥→水浴加熱→冷凝回流→空間通風→紙層析法鑒定

三、課題整理

問題串：1.用胡蘿卜做食材的菜肴中浮油會呈現橘黃色，產生該現象的原因是什么？2.如何將這些橘黃色的物質提取出來？浮油意味著什么？3.選取的萃取劑需要符合哪些條件？4.萃取之前需要對原材料做哪些處理？5.聯系已有化學知識，提取胡蘿卜素的裝置和蒸餾裝置該如何安裝？6.鑒定提取物采取的方法在哪些物質的分析中還應用過？7.層析裝置組裝需要注意哪些事項？請對紙層析的結果圖進行說明。8.有機溶劑萃取法還可應用于哪些動、植物有效成分提??？9.嘗試總結層析技術的基本原理。10.結合課題3中蛋白質的提取和分離技術并借助網絡和書籍梳理色譜技術。

四、課例理解

1.生物實驗教學的出發點是學科核心素養當下生物實驗課堂上知識教學發生著三種習慣性的演變：首先，知識教學狹化為具體知識點的教學，而對知識背后的學科方法、學科思想和學科價值等的挖掘不夠。其次，知識教學演變為符號形式的教學，而對知識所蘊含的邏輯根據、思想方法和價值意義一帶而過。再次，知識教學囿于知識本身的教學，而較少關注其認識來源、類型差異、共同屬性以及這些知識之間的組織結構。對于實驗教學來說，應該“兩個拳頭”都得硬，一是理論知識儲備，二是動手能力培養。只有教師更新觀念，才會引導學生建構和獲得高質量的知識，才能培育學科核心素養。2.培養學科核心素養中的自我建構學生學科核心素養的發展不僅與學生建構和獲得知識的結果質量有關，而且還與學生建構和獲得知識的過程、質量和方式有關。從方法論上講需要教師從學習的本質和學科核心素養的特性兩個方面展開思考。常規實驗教學難以有效培養學生的學科核心素養的一個重要原因是偏離了學習的本質，即學生沒有自主建構。生物實驗課的教學在操作層面上應關注深度學習，即要求學生對知識的建構過程是連續的、縱深的和整體的。3.實驗教學中培育學科核心素養大量的課堂實踐經驗和學習理論表明，有利于學生學科核心素養發展的學習狀態必須滿足兩類條件：第一，從知識的活化到知識的整合；第二，從知識的內化到知識的外化。生物學科素養的培養最終還是由學生通過領悟而成，最終要實現將外在的知識轉化為自己的知識，再通過表達與交流、遷移與運用將知識外化出來。4.生物實驗教學的基本設計思路在實際的實驗教學當中通常采取構建思維導圖和問題解決式學習來彌補課堂教學機械化操作的不足。本文所引案例的學習策略包含了如下內涵：問題解決式學習的精髓在于實現知識學習路徑的翻轉，即知識線索翻轉為問題線索；立足“學生—學科—生活”來設計真實的學科問題；謀求過程內發生真實而深刻的轉變，即從內源性學習到生成性學習的學習方式的轉變。問題驅動的整合式教學有利于培養學生生物學科核心素養，也是在通識教育理念下展開的廣域深度學習。為了設計出接近真實的學科問題，教師應采取“1+n”的學科問題設計思路。其中，“1”指在課堂中居于核心地位，對其他問題起著統領和整合作用的學科核心問題或核心概念；“n”指圍繞學科核心問題而自然生成的學科子問題，同時要兼顧STSE（科學—技術—社會—環境）類問題的設計。學科子問題的設計需要遵循三個基本要素：學生認知順序性、各個學科子問題之間內在邏輯性、體現層次性和階梯性的縱深化處理。借助學科核心問題和學科子問題，共同構成了驅動學生學習的學科問題群以不斷激發學生的學習潛力和提升學生的學習水平，進而達到通識化學習和深度學習。在此思路下，教師須基于大量的課堂經驗把握四個操作要領：第一，把握教材內容所傳遞的學科本質信息；第二，捕捉學生內源性學習力的激活點；第三，尋找教學內容與現實生活事物的連接點；第四，具有“Bio-X”為基礎的學科交叉備課準備。通識教育的初級階段需要初步的學科交叉、打破文理。如果沒有這種跨學科融合的超前意識，備出的課總顯單調枯燥，并沒有揭示出學科生態關系，對學科生態位的理解也是模糊的。5.以通識教育為歸宿的生物實驗教學實踐通識教育極其廣博，就生物學科而言主要體現在樹立正確的生命觀、崇尚理性思維的培養、注重實際問題的科學探究和增強社會責任意識。筆者基于以上認識為本課制定了生物實驗教學“雙育”和“三維”目標的四個環節：環節一，核心目標—核心知識。在胡蘿卜素的提取一課中，需要著重培養學生的學科核心素養是實驗設計與動手操作能力。為了達成這個核心目標，教師需要著重引導學生建構與獲得核心知識。環節二，核心知識—核心問題。將萃取法和紙層析技術作為本節課的核心知識，定為本節課的重點教學內容。這樣還不足以體現通識性，應拓展其應用范圍，如涉及色譜技術的簡介，并結合人教版教材中出現的案例來揭示這類分析技術的應用。環節三，核心問題—子問題群。圍繞萃取法的應用這個核心問題，可以將其分解成多個子問題來逐步認識萃取法的適用條件等。環節四，子問題群—活動序列?！爸迸c“行”的辯證統一。先做理論準備，再定實施方案，可以生成本節課的學習活動序列。通過對本課例實實施過程實質上的考查，發現實施問題驅動的整合式教學要依次實現“四化”：一是目標的內容化，即將學科核心素養的培養目標轉化成符合學科本質的教學內容，以核心知識為載體；二是內容的問題化，即將學生需要重點建構和獲得的核心知識轉化成一個學科核心問題；三是問題的次序化，即將學科核心的問題分解轉化為一系列具有內在邏輯關系的學科子問題，符合學生解決問題與認知建構的心理規律；四是問題的活動化，以具體可檢測評價的學習活動為載體，學習活動進程是根據學科子問題群的生成而同步推進的。借助以上四個轉化，最終引導學生在解決問題的活動過程中自然而然的培養和發展了學科核心素養。

作者:王兆胡 吳曉東 單位:甘肅省平涼市華亭一中