基于问题解决的智慧型生物实验课堂的实践研究——以改进和创新“绿叶中色素的提取和分离实验”为例

张 泰

（江苏省南通第一中学 江苏南通 226001）

实验是生物学的基础，生物学知识体系的构建和发展离不开实验的探究，因此培养学生的实验能力在生物学教学中至关重要。但是，传统的生物学实验课堂大都开展的是验证型实验教学，学生按部就班、机械性操作，就能完成。在整个过程中，学生缺乏深层次的思考，对实验原理一知半解，对实验现象也无法做出合理的解释，不能真正培养和提高实验能力。这种重结果而不重过程、重知识灌输而不重能力培养的教学，与生物学学科核心素养注重科学探究、科学思维的理念是背道而驰的。可见，生物学实验教学依然还是生物学教学中的薄弱环节。基于问题解决的智慧型实验课堂以实际问题或真实的科学研究为素材来创设探究情境，既符合学生的认知水平又能高效调动学生的主观能动性。同时，依托于现代信息技术手段的支持，学习资源的传送、交流平台的搭建快速便捷，教学反馈、学生展示及时全面，课堂更加智能高效。下面以改进和创新“绿叶中色素的提取和分离实验”为例，介绍教学实践中对创建基于问题解决的智慧型生物实验课堂进行的初步探究。

1 实验材料的选择及色素分离方法的拓展

为研究不同叶片色素种类的异同，本实验以菠菜和苋菜叶片作为实验材料，不仅对绿叶也对其他颜色叶片的色素展开初步研究，同时也为色素分离方法的拓展埋下伏笔。用书本中的纸层析法可以分离出4种脂溶性色素。苋菜叶中的红色色素主要是花青素，是一种水溶性色素，无法随层析液在滤纸上扩散而分开。活用纸层析法原理，以水为层析液就能实现扩散分离。这样的拓展既加深了学生对色素提取和分离原理的认知，又促进了学生的科学思维，更培养了学生解决真实问题的能力。

2 层析装置及实验操作的改进

2.1 层析装置改进

好的实验装置应便于操作易于成功，达到事半功倍的效果，让教学变得简单。教材中采用的是条形纸层析法，为达到减少层析液挥发的目的，以试管为层析装置，但试管空间窄而深，易造成滤纸条贴壁，致使实验效果不佳。本实验使用了“培养皿—纸捻—圆形滤纸”的层析装置。圆形滤纸的制备需要用圆规在圆形滤纸中央画一个直径为1 cm的圆（画滤液细线用），用笔尖在圆心处钻一个小孔（插纸捻用）。纸捻的制备是用大小合适的长方形滤纸卷成圆筒状作捻。层析装置由一大一小两个培养皿组成，小培养皿盛装层析液，大培养皿做盖，实验过程中层析液沿纸捻上升，在圆形滤纸中心开始向外扩散。该装置中透明的培养皿方便随时观察色素的分离情况，且滤液细线不易触及层析液，实验成功率高。实验的结果呈现为不同颜色的同心圆，增加了实验的趣味性，提高了学生的实验兴趣。

2.2 色素提取操作及滤液细线画法的改进

学生的想法和感受是教学的出发点和基础。实验操作的每一个步骤是否容易做，效果如何都是体现课堂智慧的地方。为了能适当降低叶绿素水解酶的活性，研磨前将叶片和提取液置于冰箱冷藏10～15 min。研磨时，如果研磨液一次性全部加入，很多叶片会处于漂浮和悬浮状态，给研磨带来困难。本实验时先向研钵中加入5 mL无水乙醇，将叶片迅速充分研磨成泥状，再往叶泥中加入5 mL无水乙醇，快速研磨成糊状。这样既充分提取了色素又极大地方便了研磨。教材中用毛细吸管画滤液细线，这易造成滤液细线画粗的问题。本实验采用改“画”为“印”：使用直径为1 cm的试管作为“印章”，因其管壁薄，用试管口沾取适量滤液印于铅笔线上，所画滤液细线细且圆。为了获得更好效果，可等干后重复上述操作几次。

3 结合日常生活利用智能平板，开展教学活动

3.1 教师创设情境，导入教学

小到穿衣饮食，大到国家生产发展，都与生物学紧密相连。一个来源于学生日常生活的问题，稍加处理提炼往往就能迅速吸引学生的注意力，快速将学生的思维引入教学活动中。教师以一盘炒苋菜来创设情境，并设置一系列问题串导入教学。教师提问：为什么做出来的苋菜汤是红色的？一般植物的叶片如菠菜的叶片是什么颜色的？炒菠菜的时候，为什么菠菜汤不是绿色呢？接着，教师带领学生开展苋菜和菠菜叶片的色素种类及性质的实验探究。

3.2 学生自主构建色素提取及分离的方法

教学前，教师可依据既定的教学目标，借助智能平板向所有学生推送相关的学习资源包，从而启发学生思考，促进学生的自主学习，提高课堂教学效率。课堂上，教师组织学生对预习结果汇报交流，达到让学生明确实验的原理、方法及具体操作的目的，为学生动手操作及分析结果做好必要的知识储备。智能平板可推送文字、图片、视频、动画等多种形式的教学资源。学生动手实验前，教师使用平板与全班分享生物兴趣小组进行该实验的操作视频。视频中包含如前所述的实验创新和改进，有助于学生进一步明确实验的步骤要领。

3.3 搭建交流平台，实现及时反馈

学生是教学的主体，教师应尊重他们的思维。在实验课堂中，学生时常会因实验的开展而迸发出新的想法，提出独到的见解。这些想法和见解可能对学生思维的培养和能力的提高有较大价值。及时发现并利用这些想法和见解有赖于互动交流平台的搭建，这正是智慧型生物实验课堂的优势所在。学生利用平板的拍照上传功能，及时将实验中出现的各种结果上传给教师，教师可实时从中选出具有探究价值的结果，利用平板中的及时反馈功能分享给学生，引导学生思考问题背后的原因。分组实验完成后，教师展示各小组上传的结果，各小组分析汇报。学生发现，苋菜组共有5条色素带，4条色素带与菠菜组在位置、颜色、宽度上并无明显差异，但多出一条仍停留在画线处的红色色素带。红色色素带为什么没有移动？它的性质与其它四条色素带一致吗？针对学生的疑问，教师从溶解度的角度进行引导，启发学生提出“这是一种水溶性色素”的假设。为验证该假设，学生进一步设计相关实验并汇报交流，最终提出以水为层析液进行纸层析法的方案。学生随即开展实验进行验证。智慧型实验课堂能实时展示每个小组的实验结果，让展示更加及时充分。借助有效的交流平台，学生才能从问题的发现中产生智慧，才能从问题的解决中提高能力。

针对苋菜叶中的红色色素，教师进一步追问：红色色素在苋菜叶片细胞的哪个结构中？它为什么是水溶性的，而不是脂溶性的？学生分析得出：色素的溶解性要与存在部位的环境相适应。经过这一节课的探究，学生既解决了生活中遇到的问题，又铺设了一条从发现问题、分析问题到解决问题的科学思维路线，从而达到发展生物学学科核心素养的目的。

3.4 课后延伸，拓展思维

课堂是教学的主阵地，但教学不能只局限于课堂。实验教学更是如此，因上课时间及课时不足的限制，学生还有不少想法没能表达，不少问题无法解答。这些正是激发学生学习兴趣和培养核心素养的重要切入点。智慧型的生物实验课堂能很好地将师生之间的交流延续到课后。本节课结束后，学生可利用“畅言作业”平台上的“师生互动”功能，将课上未解决的问题留言给教师。教师对此进行个别指导的同时，又能挑选能培养学生学科核心素养的问题推送给全班解决。例如，苋菜叶片中的红色色素只有一种吗？如果有多种怎么分离？为什么苋菜叶片中含有大量的红色色素，它们有什么作用？这样既能关注到点，又能顾及到面，还能有效开辟“空中学习”这个第二课堂。

基于问题解决的智慧型生物实验课堂扎根于日常生活，取材于生产实践，让课堂更“亲切”。同时，它是依托于新一代的信息技术手段而打造出来的智能高效课堂，能使实验教学不受课堂时空的限制，随时随地发生，极大地丰富了教学的情境，也能尊重学生的个性发展，因材施教，实现分层教学。另外，以云平台为基础为学习提供大量优质的教学资源，能够开拓学生的视野，促进学生的思维，是未来实验课堂发展的一个大趋势。