基于生活情境的高中生物学拓展实验课程设计 ——以探究紫鸭跖草叶片颜色之谜为例

摘要：培养学生的科学探究能力是高中生物教学的重要任务之一，以生活情境创设探究问题，开展拓展实验课程可以让学生体验科学探究的完整过程，有利于发展学生终身学习和创新实践的能力。笔者以观赏植物紫鸭趾草为实验材料，设计了开放性实验课程，在实践中发展学生的生物学素养。

关键词：生活情境  核心素养  紫鸭趾草  颜色之谜

《普通高中生物学课程标准（2017年版2022年修订）》（以下简称《课程标准》）明确指出，生物学课程要求学生主动地参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力[1]。因此，教师在教学过程中可基于高中生物学教材，通过融入生活化情境来设置探究性学习活动，让学生积极参与动手和动脑过程，探讨和解决现实生活中的某些问题，这既有利于提高学生对于生物知识的理解和认识能力，也能够从教学实践的角度来促进学生自主探究意识的全方位培养，对于学生生物核心素养的培育具有重要的促进价值[2]。

笔者以人教版高中生物必修一《用高倍显微镜观察叶绿体》及《绿叶中色素的提取和分离》等探究实践活动为基础，利用紫鸭跖草为观察对象和实验材料设计探究活动。该课程可以作为对学生学习教材实验的评价手段，同时又能够让学生在真实情境中发现问题，激发学生自主探究的兴趣，发展学生的实验技能及探究能力。

1 创设生活情境，制造认知冲突

    紫鸭跖草是鸭跖草科、鸭跖草属多年生草本植物，因其茎、叶均为紫红色而得名，这是其与多数植物最明显的不同特征，也是本实验课程的切入点。紫鸭趾草的紫色叶片与学生认知中“叶片因含叶绿体而呈绿色”的固有观念形成认知冲突，激发了学生的探究热情和寻证兴趣，为课程的顺利开展创设了良好条件。

1.1 观察及实验设计

笔者将一盆生长旺盛的紫鸭跖草置于班级窗台上，鼓励学生课间进行仔细观察，针对紫鸭跖草叶片呈紫色的原因提出自己的观点，并说出理论依据，培养学生科学观察、大胆猜想和理论应用等实验技能。在观察和假设的基础上要求小组同学合作确定一个目标明确的探究课题，并书写《实验探究方案表》（表1）。

表1  实验探究方案表

1.2 表格收集与完善

科学探究离不开严谨的逻辑思维和实验设计能力，学生初次独立设计实验难免会有疏漏，因此笔者提前收集各小组的表格，认真审阅后对各组的实验方案进行评价，与各小组成员分别讨论实验方案的可行性及操作注意事项，并组织各小组同学完善实验设计方案。各小组确定最终的探究目的，并在实验报告单中填写实验所需仪器和药品等内容。

2 打造探究课堂，提升科学探究能力

生物学结论的获得需要理论支撑，更需要实验的检验。笔者将学生们的研究方案汇总，根据学生的实验方案，为各组成员准备好实验材料、仪器和药品，带领学生亲历探究过程。

2.1 仪器和药品准备

    探究实验各组所需仪器、材料及药品如表2，教师提前布置实验室，为探究课堂做准备。

表2  实验材料、仪器和药品

2.2 学生动手操作及结果分享

   学生根据课前设计的探究方案动手操作，检验假设。学生在此过程中既能够加深对教材实验的理解，又能够养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度。

2.2.1  1组探究活动记录

实验目的：紫鸭跖草叶片细胞中有无叶绿体？

假说及理论依据：根据网上查阅的紫鸭趾草的培育方法，发现它喜光，施肥主要是施氮、磷、钾等无机肥料，不需要额外提供有机营养，推测紫鸭跖草是自养型生物，应该具有叶绿体，能够进行光合作用。

实验方法：用镊子撕取紫鸭趾草叶片表皮细胞，观察叶肉细胞的颜色，并撕取叶

肉细胞制成临时装片在显微镜下观察叶绿体的有无。

实验结果：①去掉表皮细胞的紫鸭跖草叶片呈现绿色，如图1；②显微镜下观察，紫鸭趾草叶肉细胞中可见叶绿体，如图2。

实验结论：紫鸭趾草叶片细胞中含有叶绿体。

     图1                          图2

2.2.2  2组探究活动记录

实验目的：紫鸭跖草叶肉细胞和表皮细胞中是否含有不同的色素？

假说及理论依据：紫色洋葱表皮细胞因液泡中含有紫色的花青素而呈现紫素，而管状叶叶肉细胞含有叶绿素等光合色素而呈现绿色，据此推测紫鸭跖草的表皮细胞因含有花青素而呈现紫色，而叶肉细胞中因具有光合色素而呈绿色。

实验方法：分别撕取鸭跖草下表皮细胞和叶肉细胞制成临时装片，在显微镜下进行观察比较。

实验结果：①表皮细胞呈现紫色，如图3；②叶肉细胞呈现绿色，如图4。

实验结论：紫鸭趾草叶肉细胞和表皮细胞含有的色素种类不同。

图3                       图4

2.2.3  3组探究活动记录

实验目的：紫鸭跖草叶片上、下表皮颜色差异的原因？

假说及理论依据：通过观察，鸭跖草上表皮的颜色比下表皮要浅，据此猜测它的上、下表皮可能是因为色素含量不同而颜色不同。

实验方法：分别撕取上下表皮细胞制成临时装片进行观察比较。

实验结果：①紫鸭跖草上表皮细胞排列紧密，细胞较小，液泡颜色较浅，如图5；②下表皮细胞排列疏松，细胞较大，液泡的紫色较深，如图6。

实验结论：紫鸭跖草上、下表皮颜色的不同是由液泡中色素含量差异引起的。

图5                    图6

2.2.4  4组探究活动记录

实验目的：紫鸭跖草叶片中色素的种类和含量如何？

假说及理论依据：枫叶秋天变红是由于寒冷条件下叶绿素分解，液泡中花青素的颜色显现出来所致，叶片颜色取决于花青素和叶绿素的相对含量。据此推测紫色鸭跖草叶肉细胞中可能同时具有花青素和叶绿素等光合色素，花青素的相对含量高于叶绿素而使叶片呈紫色。

实验方法：用无水乙醇提取紫鸭跖草叶片中的色素，再用纸层析法进行分离。

实验结果：①用无水乙醇提取的色素颜色为紫色，如图7；②利用纸层析法得到的色素带包含胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b四条色素带，且在滤液细线附近还存在较宽的紫色条带，如图8。

实验结论：对叶片加热处理更有利于色素的提取；紫鸭跖草叶片中含有花青素和四种光合色素，由于表皮细胞中花青素含量高于叶肉细胞中的叶绿素等色素含量使叶片呈现紫色。

图7                      图8

2.2.5  总结揭秘，探索新知

结合四个小组的实验结果，师生共同揭开紫鸭跖草叶片颜色之谜：紫鸭跖草叶片表皮细胞含有大量的花青素，叶肉细胞中含有叶绿体，叶绿体中含有胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b四种色素。由于表皮细胞中花青素含量高于叶肉细胞中的叶绿素等色素含量使叶片呈现紫色；鸭跖草上表皮的花青素含量低于下表皮，使得下表皮颜色更鲜艳一些。

在此实验结果的基础上，学生们又提出了新的疑问和思考：能不能通过定量的实验验证上、下表皮色素的含量多少呢？鸭跖草上、下表皮色素含量不同与其接受的光照不同有关联吗？叶片的紫色对于鸭跖草的生存有什么意义？

3 小结

拓展实验课程是在教材实践活动的基础上进行的尝试与创新，旨在落实《课程标准》对学生学习水平和能力的要求，同时可对学生进行学习评价。本课以生活情境引入，带领学生亲历发现问题、寻找证据、检验假说等过程，提高了学生生物学学习及实验探究的兴趣，从而在培养学生的科学思维、发展创新实践能力等发面取得了良好的教学效果。

学生在实验设计、实验操作及结果分享过程中，提高实验技能和语言表达能力，也发展了创新能力和批判性思维能力，实验中获得的成果和经验也促进了学生结构与功能相适应等生命观念的达成。

主要参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 张银霞.高中生物生活化情景创设教学的策略研究[J].试题与研究，2023（23）: 53-55.

作者简介：

桑春花（1983—），女，硕士研究生学历，中学一级教师，E-mail：125688425@qq.com