“胡蘿卜素的提取”教學(xué)設(shè)計(jì)

甘中偉 陳 雄

（1 云南師范大學(xué)附屬中學(xué) 云南昆明 650106 2 四川省綿陽(yáng)中學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)校 四川綿陽(yáng) 621000）

1 教材分析

“胡蘿卜素的提取”是生物選修《生物技術(shù)實(shí)踐》專題6課題2的內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)的要求是“研究從生物材料中提取某些特定成分”。本模塊強(qiáng)調(diào)：以學(xué)生為主體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作實(shí)踐，學(xué)習(xí)科學(xué)探究。但由于中學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件限制，高中教師幾乎不開(kāi)展 “胡蘿卜素的提取”這一實(shí)驗(yàn)。本課題通過(guò)興趣小組嘗試設(shè)計(jì)、安裝萃取實(shí)驗(yàn)裝置提取胡蘿卜素，將探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中錯(cuò)誤的操作和正確操作流程整理成視頻，課上介紹探究過(guò)程，突出本節(jié)課的重、難點(diǎn) “胡蘿卜素的提取”。本課題中還涉及到一種不同于教材的實(shí)驗(yàn)儀器“旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀”，通過(guò)觀察、比較，學(xué)生加深了對(duì)于用萃取法提取植物有效成分的認(rèn)識(shí)，增進(jìn)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、流程的理解。

2 教學(xué)目標(biāo)

1）知識(shí)目標(biāo)：①胡蘿卜素的性質(zhì)；②寫(xiě)出胡蘿卜素提取的實(shí)驗(yàn)流程，并分析影響萃取效率的因素。

2）能力目標(biāo)：①根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)材料選擇恰當(dāng)?shù)奶崛》椒ǎ虎诟鶕?jù)萃取法原理，設(shè)計(jì)提取胡蘿卜素的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。

3）情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：①形成嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、務(wù)實(shí)的態(tài)度和精神；②關(guān)注生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；③提高團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

3 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：胡蘿卜素的提取，紙層析的操作。

2）難點(diǎn)：萃取法實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原理及使用，胡蘿卜素的提取。

4 教學(xué)過(guò)程

4.1 導(dǎo)入新課 教師簡(jiǎn)要介紹β-胡蘿卜素對(duì)人體的作用，提供胡蘿卜素圖片及理化性質(zhì)：橘黃色晶體粉末；不溶于水，微溶于乙醇，易溶于石油醚等有機(jī)溶劑；揮發(fā)性差。思考：根據(jù)胡蘿卜素的化學(xué)性質(zhì)，提取胡蘿卜素能否用水蒸氣蒸餾法？原因是什么？

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用所學(xué)知識(shí)（水蒸氣蒸餾法）解決新問(wèn)題。啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考，展開(kāi)學(xué)習(xí)，引出新課。

4.2 以視頻錄像創(chuàng)設(shè)探究情境，引發(fā)學(xué)生探究欲望 實(shí)驗(yàn)過(guò)程由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、操作，在云南大學(xué)生物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，視頻錄像、剪切等也由學(xué)生分工完成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有許多操作錯(cuò)誤，學(xué)生利用“導(dǎo)學(xué)案”習(xí)得知識(shí)找出錯(cuò)誤的地方并給予糾正。以下為部分錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)操作流程，學(xué)生邊操作邊進(jìn)行講述。

4.2.1 胡蘿卜的處理 取新鮮胡蘿卜500 g，用清水清洗后瀝干，再將胡蘿卜切成小塊烘干。烘干時(shí)溫度盡可能高、時(shí)間盡量長(zhǎng)。

4.2.2 胡蘿卜素的萃取

1）儀器的組裝：按照從上到下的順序?qū)x器進(jìn)行組裝。

2）萃取劑的選擇：現(xiàn)有石油醚，乙醇，乙酸乙酯，由于胡蘿卜素易溶于有機(jī)溶劑，所以選取上述任意一種化學(xué)試劑都可作為萃取劑。

3）正式萃取：將選取的萃取劑與干燥胡蘿卜隨意混合，直接用酒精燈加熱。30 min后完成萃取。

4.2.3 萃取液的濃縮 將萃取后的燒瓶固定在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上，通過(guò)真空泵使燒瓶?jī)?nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，燒瓶?jī)?nèi)溶液在負(fù)壓狀態(tài)下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)加熱蒸發(fā)掉萃取有機(jī)溶劑。濃縮結(jié)束后，得到胡蘿卜素粗品，用石油醚溶解。

4.2.4 胡蘿卜素粗品的鑒定

1）制備濾紙：在潔凈濾紙下端距底邊1 cm處用鉛筆做一基線，在基線上取A、B、C、D 4點(diǎn)。用滴管分別在B、C處緩緩滴入一滴萃取樣品；在A、D處緩緩滴入一滴標(biāo)準(zhǔn)樣品。用吹風(fēng)機(jī)將溶劑吹開(kāi)，保持濾紙干燥。

2）層析:將濾紙卷成圓筒狀，使兩端靠近，并放置在裝有0.5 cm深石油醚的開(kāi)放玻璃瓶中，色素完全分開(kāi)后，取出濾紙使石油醚自然揮發(fā)。

3）觀察、比較提取液與標(biāo)準(zhǔn)液在濾紙上擴(kuò)散的痕跡。

設(shè)計(jì)意圖：正確有效地回歸教材，是課堂教學(xué)的重要內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí)、辨析錯(cuò)誤操作，培養(yǎng)自學(xué)能力、獨(dú)立觀察能力及語(yǔ)言組織、表達(dá)能力。

4.3 分析、解釋錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)操作，自主構(gòu)建新知學(xué)生以小組為單位，以搶答形式指出上述操作中的錯(cuò)誤之處。教師最后按照操作順序，通過(guò)設(shè)問(wèn)幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)流程及操作中的注意事項(xiàng)。

4.3.1 胡蘿卜的處理

1）實(shí)驗(yàn)材料胡蘿卜應(yīng)該如何處理？粉碎、干燥的目的是什么？（實(shí)驗(yàn)材料要進(jìn)行粉碎，有利于原料與萃取劑充分接觸，增大溶解度；干燥的目的是減少胡蘿卜中水分含量，提高萃取效率。）

2）干燥的時(shí)間、溫度有無(wú)特殊要求？原因是什么？（干燥的溫度太高、時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致胡蘿卜素分解。）

4.3.2 胡蘿卜素的萃取

1）實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)該按照什么順序組裝？燒瓶上方還要安裝什么裝置？其目的是什么？（實(shí)驗(yàn)儀器按照“從下到上”的順序組裝，燒瓶上方還要安裝“回流冷凝裝置”，防止加熱時(shí)有機(jī)溶劑揮發(fā)。）

2）萃取劑的選擇：本實(shí)驗(yàn)中選擇石油醚，而不選另外2種有機(jī)溶劑的原因分別是什么？（乙醇是水溶性有機(jī)溶劑，因萃取中能與水混溶而影響萃取效果；乙酸乙酯沸點(diǎn)低于石油醚，加熱萃取時(shí)易揮發(fā)，所以不選這2種有機(jī)溶劑。）

3）萃取劑的用量：選取的萃取劑與干燥胡蘿卜能否隨意混合？原因是什么？（萃取劑的使用量是影響萃取效率的主要因素之一，所以不能隨意混合。）

4）萃取過(guò)程：應(yīng)該如何加熱萃取？萃取的時(shí)間、溫度有無(wú)要求？原因是什么？（有機(jī)溶劑都是易燃物，所以采用水浴加熱；一般來(lái)說(shuō)，萃取溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，需要提取的物質(zhì)就能充分溶解，萃取效果就好。）

4.3.3 萃取液的濃縮 在萃取液濃縮之前，還要進(jìn)行什么操作，其目的是什么？ （濃縮之前，還要進(jìn)行過(guò)濾，除去萃取液中的不溶物。）

4.3.4 胡蘿卜素粗品的鑒定

1）點(diǎn)樣時(shí)的注意事項(xiàng)是什么？能否用滴管點(diǎn)樣？如何正確操作？［點(diǎn)樣時(shí)要快速細(xì)致；滴管點(diǎn)樣加入的樣品過(guò)多，形成的圓點(diǎn)直徑過(guò)大，所以不能用滴管點(diǎn)樣；正確操作是：用毛細(xì)吸管（或最細(xì)的注射器針頭）點(diǎn)樣，形成直徑為2 mm左右的圓點(diǎn)，用吹風(fēng)機(jī)將溶劑吹干，保持濾紙干燥，再重復(fù)點(diǎn)樣3～4次。］

2）與較好層析結(jié)果（圖1）相比較，較差層析結(jié)果（圖2）中A，D處點(diǎn)樣色素為什么移動(dòng)加快、移動(dòng)方向朝中間靠攏？（紙層析裝置中濾紙筒的豎直邊緣相互接觸，因毛細(xì)管現(xiàn)象導(dǎo)致溶劑沿濾紙兩邊的移動(dòng)加快，溶劑前沿不齊。）

圖1 胡蘿卜素紙層析結(jié)果（較好）

圖2 胡蘿卜素紙層析結(jié)果（較差）

3）層析容器是否需要密閉，原因是什么？（石油醚易揮發(fā)，所以層析容器要密封。）

4.3.5 播放胡蘿卜素的提取與鑒定實(shí)驗(yàn)正確操作錄像

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題的情境讓學(xué)生更多地參與到教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生一步步分析實(shí)驗(yàn)流程及注意事項(xiàng)，通過(guò)自己總結(jié)，加深對(duì)知識(shí)的理解和記憶，提升認(rèn)知。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中體會(huì)到學(xué)習(xí)的成就感，找到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。

5 課堂小結(jié)

總結(jié)影響整個(gè)萃取效率的因素有哪些？通過(guò)思考影響萃取效率的因素，學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行梳理，進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)流程及相關(guān)注意事項(xiàng)。

6 課后思考題

1）設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)胡蘿卜素；

2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究萃取劑的性質(zhì)和使用量對(duì)萃取效率的影響；

3）比較3種提取方法的優(yōu)、缺點(diǎn)。

7 教學(xué)反思

本課題內(nèi)容受到教學(xué)條件的限制，所以實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、實(shí)施工作在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，興趣小組的學(xué)生做了大量準(zhǔn)備工作，提前開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮了學(xué)生的探究能力、動(dòng)手組織能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

學(xué)生以前在學(xué)習(xí)“胡蘿卜素的提取”時(shí)，很難理解性記憶實(shí)驗(yàn)流程及相關(guān)操作的目的，有的學(xué)生甚至只能死記硬背。本節(jié)課通過(guò)播放、講解2個(gè)視頻錄像片段《胡蘿卜素提取的錯(cuò)誤操作》、《胡蘿卜素提取的正確操作》，將課題中的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)、畫(huà)面真實(shí)地帶到課堂，課上學(xué)生積極參與到實(shí)驗(yàn)中，表現(xiàn)出高度的實(shí)驗(yàn)熱情，有效地化解了實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣的矛盾，極大提高了課堂教學(xué)的有效性，在發(fā)展和提高學(xué)生科學(xué)探究能力的同時(shí)，真正理解了知識(shí)的內(nèi)涵。例如：紙層析法結(jié)果（圖2）的解釋，只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)，才能更好理解紙層析裝置中濾紙筒的豎直邊緣為什么不能接觸。

本課題探究過(guò)程中，使用了一種特殊儀器“旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀”（圖3），通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件，用一種儀器既進(jìn)行了萃取實(shí)驗(yàn)，也能用真空泵使燒瓶?jī)?nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，完成萃取液濃縮過(guò)程，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的具體操作過(guò)程，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)“萃取法”實(shí)驗(yàn)流程的理解和掌握。

圖3 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀