基于核心素養的高中生物學實驗學科交叉教學
——以“葉綠體色素的提取和分離”為例*

李貝貝 李宗蕓

（江蘇師范大學生命科學學院 江蘇徐州 221000）

在競爭日益激烈的新時代背景下，對新型人才的培養提出了更高的要求，《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課程標準”）中提出“生物學課程要求學生主動地參與學習，養成科學思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習及創新實踐能力”。隨著基礎教育課程改革的不斷深化，傳統的分科教學雖然有利于構建系統、全面、完整的知識體系，但其弊端難以忽視，致使學生在解決實際問題時，缺乏綜合運用所學知識的能力。江蘇省的“3+1+2”新高考政策已經施行，但在目前分科教學的大環境下，不同學科知識間的相互交叉滲透越發重要。

1 在高中生物學實驗教學中的學科交叉

生物學是自然科學中的一門基礎學科，“新課程標準”中著重強調要發展學生的生物學學科核心素養，其中的科學思維和科學探究能力是學生學習生物學的基礎，二者相輔相成，相互促進，這也是學習其他理科的必備能力。而生物學實驗是培養學生生物學核心素養的良好載體，學生通過自主設計實驗、親歷科學探究的一般過程，逐步學會用科學思維的方式進行自主探究，獨立解決問題。在進行生物學實驗時，無論是實驗原理、實驗材料、還是試劑、工具等，不可避免地涉及其他理科知識。此時，教師應指出學科交叉知識點，幫助學生理解本節實驗的同時，增強對知識的融會貫通能力，達到深度學習，培養獨立思考、解決問題的能力，形成創新精神。

以“葉綠體色素的提取和分離”實驗為例，該實驗從實驗原理、試劑、方法等各方面都涉及化學等其他學科知識。因此在課堂上，為了更好地闡釋實驗現象，有必要適當地進行相關學科知識的拓展。

1.1 葉綠體色素的提取——“相似相溶”原理 “相似相溶”原理在之前的教學中就已提及，例如在“物質的跨膜運輸”一節中，脂溶性強的物質較容易穿過細胞膜，這與組成細胞膜的磷脂的結構有關，可見理解“相似相溶”原理有助于學生構建物質的結構與功能觀。“相似相溶”中“相似”是指溶質與溶劑在結構上相似，即有相同的官能團；“相溶”是指溶質與溶劑彼此互溶。因此，“相似相溶”指極性溶劑易溶解極性物質，非極性溶劑易溶解非極性物質。

在本節實驗教學中，給出葉綠體中各個色素的化學分子式，由分子式得到葉綠體中色素的極性大小為：胡蘿卜素極性最小，其次是葉黃素，葉綠素極性最大（葉綠素a 和葉綠素b 在結構上的差別很小）。在提取葉綠體中的色素時，加入少許二氧化硅幫助研磨，以破壞細胞結構，此時細胞內尤其是液泡內的有機酸被釋放，易破壞葉綠素的結構。葉綠素的分子結構如圖1所示，葉綠素a 與葉綠素b 僅有R 基的不同，它們分子中央含有一個鎂原子，在酸性環境下，卟啉環中的鎂原子被氫取代，成為去鎂葉綠素［1］。因此在提取葉綠素的過程中，加入的碳酸鈣可與酸性物質發生反應，生成二氧化碳和水，進而保護葉綠素。

圖1 葉綠素的分子結構

人教版教材中用無水乙醇作為提取液，以石油醚∶丙酮∶苯=20∶2∶1 的混合有機溶劑作為層析液。在提取色素的過程中，根據其極性特點，脂溶性的光合色素更易溶于有機溶劑，因而用無水乙醇進行提取而非水。在分離光合色素時，層析液同樣為非極性溶劑，各色素的極性不盡相同，在層析液中的溶解度也不同進而分開，可推測出葉綠體中色素的溶解度大小：胡蘿卜素溶解度最大，其次是葉黃素，葉綠素溶解度最小。這為更好地理解層析的原理打下基礎。

1.2 葉綠體色素的分離——層析原理 為了在課堂教學中簡便地分離葉綠體色素，教材使用紙層析法，紙層析法在高中化學實驗中同樣重要，在“鐵離子和銅離子的分離”實驗中所采用的方法就是紙層析法。紙層析法是層析方法中的一種，本節實驗是高中學生第1 次接觸“層析”這個概念，層析包含的內容很復雜，無論哪種層析方法，都有其固定相與流動相。紙層析法的固定相是濾紙纖維上吸附的水分，流動相是層析液，當層析液沿著濾紙上的毛細管進行流動時，濾液細線中的各色素組分會隨著層析液向前流動，在流動的過程中，由于葉綠體中的各色素在流動相和固定相中的溶解度不同，即在流動相和固定相中有不同的分配比。多次分配之后，分配比大的物質移動快，反之則慢，不同色素得以分離。

考慮到高中學生的接受能力，先將層析按照操作形式進行劃分，分為紙層析、柱層析和薄層層析3 種。紙層析法操作簡單，材料易得，適用于高中實驗教學，可分為上升紙層析法和徑向紙層析法（圖2）。教材中使用上升紙層析法，在濾紙條上畫一條細而直的濾液細線，垂直插入層析液中，層析液利用毛細現象沿著濾紙上升；徑向紙層析法的分離介質也是濾紙，將層析液倒在培養皿中，在圓形濾紙中央戳一個小洞，卷一小節濾紙卷插進小洞，濾紙卷下段浸入層析液中，用毛細吸管吸取少量濾液，在距圓形濾紙中心1 cm 左右均勻點樣畫一個圓環。層析液沿著圓形濾紙擴散形成大小不一、顏色不一的色環，為了減少層析液揮發，可在濾紙上蓋一個培養皿［2］。如果學校條件允許，可使用硅膠層析板代替濾紙的薄層層析，薄層層析在分離葉綠體色素時，靈敏度高，分離效果更好，還可通過計算比移值進行定量比較。

圖2 上升紙層析法（左）和徑向紙層析法（右）

1.3 燈光照射色素提取液——熒光現象 用燈光照射試管中的色素提取液，會發現葉綠體色素在透射光下呈綠色，在反射光下呈紅色，即產生了熒光現象［3］，熒光的原理屬于高中物理學“原子結構”一章的內容。在圖3中，學生乙觀察到綠色，由于葉綠體色素主要吸收紅光和藍紫光，吸收的綠光最少，所以觀察到的為綠色透射光。學生甲觀察到紅光，是葉綠體色素分子吸收能量、受激發后所產生的發射光譜。葉綠體色素分子原本處于最穩定的、能量最低的基態，吸收一定能量的光子之后，被激發到一個不穩定的、高能量的激發態，激發態不穩定，很容易返回基態，因此發射熒光，放出多余的能量，迅速由激發態回到基態。

圖3 觀察熒光現象示意圖

這時有學生提出為什么平時在太陽光下觀察不到熒光現象？這是由于在細胞中色素分子吸收的光能有3 種去向：放熱、發熒光和同化二氧化碳，其中同化二氧化碳占了絕大部分的能量，因此發熒光現象不易觀察到。而試管中的色素提取液破壞了細胞結構，吸收的光能更多地用于發熒光，所以能明顯地觀察到熒光現象。

2 結語

新課程標準中的核心素養是指學生在接受相應學段的教育過程中逐步形成起來的適應個人終身發展與社會發展的人格品質與關鍵能力。雖然各學科有學科核心素養，但核心素養與學科核心素養之間是全局與局部、共性與特性、抽象與具象的關系，學科核心素養之間也不應割裂開來，“科學思維”與“科學探究”是生物學學科核心素養、化學學科核心素養與物理學學科核心素養的共同內容。實驗教學是發展學生核心素養的良好載體，教師要充分利用和挖掘每一個實驗的教學資源，各學科的任課教師多溝通，對于學科交叉部分的教學進行交流討論，協同促進，發展學生的核心素養，提高創新能力。