“綠葉中色素的提取和分離”實驗的改進與拓展

陳能訓

摘 要 依據實驗原理，使用榨汁機打碎綠葉再研磨，改進濾液細線畫法，使用15 mL刻度離心管替代試管或小燒杯等，在關鍵環節對“綠葉中色素的提取和分離”實驗進行改進、優化，使之更安全、易操作。在拓展部分，通過讓學生動手實踐，觀察色素溶液對光的吸收特點及熒光現象，手腦并用，激發了學生的學習興趣，提高了實驗效果。

關鍵詞 中學生物學 色素的提取和分離 實驗改進

生物實驗是生物學教學中極其重要的教學內容，其教學方法、教學手段和教學形式也是展現生物學魅力和激發學生學習興趣的關鍵。生物學的發展離不開實驗，生物學教學也離不開實驗。實驗教學既是生物學課程的特點，也是學生達成學科核心素養的重要支撐。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱為新課標）更是提出了“教學過程重實踐”這一課程理念[1]，對實驗教學的開展起到了重要的目標指引作用。但是在教學實踐中，仍然存在一些亟待解決的問題，如學生實驗探究能力明顯不足等問題。因此，探索和嘗試實驗教學改進的一些策略和辦法，既是新課標的要求，也是實驗教學改革的方向和迫切需要。“綠葉中色素的提取和分離”實驗的改進和拓展就是筆者在教材原實驗的基礎上，優化改進實驗環節，適度拓展延伸實驗設計，融入探究性實驗，以挖掘潛在的教育價值、提高實驗教學質量為目的所進行的探索和嘗試的成果。

實驗教學是生物學教學的重要組成部分，是培養學生核心素養的重要途徑，其價值取向是：學生好上手、易操作、失誤少、興趣濃、效果好。“綠葉中色素的提取和分離”實驗能否做得成功，關鍵在于要處理好以下三個環節：①提取的色素應量多且不變性;②畫出的濾液細線應濃、直、細、勻;③濾液細線不能浸沒在層析液中。要想處理好這三個重要環節，需要對教材原有實驗的器具、材料、方法和環節進行優化并改進。

一、實驗三個關鍵環節的改進思考與處理

（一）改進實驗材料的選擇與處理，制備高質量色素提取液

教材實驗在實際操作中的不足：①對稱取的綠葉剪碎研磨處理的方法耗時長;學生在操作中由于缺乏經驗，出現研磨不充分、材料大量溢出的情況;色素易發生去鎂（Mg）反應或分解。②研磨時加入的有機溶劑（無水乙醇10 mL）量多，造成色素提取液的質量差，影響實驗效果。③各小組實驗進度差異大。針對上述不足，筆者在實踐中做了如下改進：

1.選材。教材中選用的材料是新鮮的綠葉，筆者經過多年教學實踐發現選用菠菜、油菜、上海青的葉片進行色素的提取和分離都能取得良好的實驗效果。

2.優化綠葉材料研磨方法，制備高質量的色素提取液。①綠葉材料采用先晾、后打碎的方法。因新鮮綠葉中水分多，先置干燥處晾2小時左右，再用家用榨汁機迅速打碎綠葉組織，將其分成碎屑和汁液兩部分。用大一點的塑料勺將碎屑分配至每個研缽中兩平勺，再倒入汁液1 mL，備用。②加藥品。向盛有碎屑和汁液的研缽中迅速加入少許二氧化硅、碳酸鈣和2 mL無水乙醇。③研磨。研磨的要領是用力旋壓，迅速充分研磨。④過濾。將研磨好的研磨液倒入放有單層尼龍布的玻璃漏斗中過濾，再將濾液收集到試管中，及時用封口膜將試管口封上。

上述環節相關步驟改進的優點：①在使用榨汁機打碎過程中，綠葉器官組織、部分細胞及葉綠體破裂解體，使得研磨過程中的色素分子與有機溶劑大面積接觸并很快溶解。由于打成的碎屑小，既方便研磨，也利于與有機溶劑（無水乙醇）的充分接觸，使研磨液中色素溶解的量增加。（該操作在學生進實驗室前2～3分鐘就可完成）②教材實驗的研磨要加無水乙醇10 mL;而用榨汁機迅速打碎綠葉再研磨只需加無水乙醇2 mL，就能獲得一個小組畫濾液細線和探究實驗所需色素提取液的用量。③用封口膜將色素濾液試管口封上，透明且密封，便于觀察，方便操作。

顯然，利用榨汁機先打碎綠葉再研磨，需要綠葉原料、無水乙醇的量較少，能夠節約藥品，降低成本，減少廢液，利于環保，節省的時間還可用于拓展探究實驗。

（二）改進實驗器具的選擇和使用，畫出高質量濾液細線

決定色素分離結果的關鍵是畫好濾液細線。

教材實驗在實際操作中的不足：畫濾液細線常用蓋玻片或玻璃毛細管。由于蓋玻片本身小、輕、薄、窄、滑，在用手指拿捏蓋玻片畫濾液細線時，手指會遮擋部分視線，看不清鉛筆細線的準確位置，畫出的濾液細線“成線”效果比較差，實際操作并不方便。由于玻璃毛細管有易堵易斷的缺陷，吸取的濾液不是過多就是過少，畫出的細線質量不高，還容易將濾紙劃爛，再加上學生操作玻璃毛細管的技術不夠純熟或手抖，造成劃線不細、不勻、不直、濃度不一，導致最終分離出的色素帶層次不齊，效果差。針對上述不足，筆者作了如下改進：

1.制備濾紙條：把經干燥處理過的濾紙剪成1.5厘米寬的濾紙條（注意寬度不大于1.5厘米），一端剪去兩個角使之呈梯形，并在這一端1厘米處用鉛筆畫一道細的橫線[2]，備用。

2.濾液細線畫法上的改進。筆者在實踐中比較了以下三種方法：①薄塑料片印章法。用薄而硬的、干凈的三角形薄塑料片，如衣物標簽等，將平而直的一邊兩側稍稍磨毛（利于吸附色素）。先將一塊載玻片筆直地固定在鉛筆細線一側，再用薄塑料片蘸取色素研磨液少許輕輕印在濾紙條的細線處，待晾干后重復幾次。②鋼筆劃線法[3];③用很薄的鋼質墊圈碾印（滾動）法。實驗結果表明，薄塑料片印章法最能體現出學生好上手、易操作、失誤少、興趣濃、效果好的實驗取向，畫出的濾液細線：濃、細、勻、直，材料易得，簡便易行，效果好。

（三）改進實驗器具，分離出高質量色素

教材實驗的分離色素是通過使用試管或者小燒杯加入層析液來操作的，在實際操作中存在以下不足：①試管長且口小，濾紙條長度不夠，尤其是層析液加入量不容易掌握，易發生濾液細線浸沒在層析液中或濾紙條貼壁，導致層析結果受到影響;②用小燒杯操作的，需倒入10 mL左右層析液，層析液用量大，燒杯口徑較寬，層析液易揮發;③將濾紙條掛在燒杯壁上，存在軟化后滑落或貼壁的情況。針對上述不足，筆者作了以下改進：

1.改進目標。用改進的器具進行紙層析法分離色素，可以做到濾液細線“不會”浸沒在層析液中。

2.對層析裝置的改進。采用規格為15 mL刻度離心管替代試管或小燒杯，加入2.5 mL層析液后，用PE保鮮膜（特耐撕切、易抽拉）快速封口。在用紙層析法分離色素時，先用刀片輕輕在離心管口的PE膜中央劃開一道細口[4]，將濾液細線已晾干的濾紙條梯形端向下，從刀片劃開的細口處豎直插入刻度離心管中。由于15 mL規格離心管的底部狹細，恰好能卡住濾紙條的梯形端，既能使梯形端部分接觸層析液，又不用擔心會浸沒濾液細線;離心管有刻度，能很好控制層析液加入的量;用封口膜密封管口，既能防止層析液揮發，又能避免濾紙條貼壁。改進后真正做到了濾液細線不會浸沒在層析液中，學生好上手、易操作、失誤少。

觀察實驗結果：濾紙條顯現出四條色素帶，清晰、整齊。可見，以上經改進的實驗，符合課標對學生實驗操作所要求的規范性、準確性，達到了較好的實驗效果。

二、實驗拓展和探究設計

（一）在改進實驗的基礎上拓展探究性實驗的意義

科學探究是新課標的重要理念之一。本文第一部分的各實驗環節都是典型的驗證性實驗。而驗證性實驗有其局限性：首先，實驗目的明確，框架、內容已經確定，操作過程要按即定步驟、過程嚴格執行，指向性清晰，實驗結束后找到與結論相吻合的事實證據即可，導致學生的認知活動是僅僅從抽象到具體，思維活動的主要方式是演繹思維，思維活動相對聚合，不利于學生發散思維的培養。其次，在驗證性實驗中教師是實驗活動的主導者，學生的積極性、主動性、創造性不能得到充分發揮，而且教師主要根據學生掌握操作要領的程度和實驗結果的對錯來進行評價，是重結論、輕過程的單一評價方式，缺乏發展性評價，不利于學生學科核心素養的提升。教師應在新課標的引領下，在優化改進教材實驗的基礎上融入探究性實驗設計，以問題為核心、為導向，始于問題，推進問題，回歸于問題，以實驗為載體，充分挖掘知識本身所蘊藏的教育價值，引導學生運用已有的知識和技能，通過探究實驗活動來發現問題、探究問題和解決問題，實現過程體驗和實驗結果的并重，鍛煉意志品質和探索精神，提高自主學習能力和科學思維品質，提升學科核心素養。

（二）實驗拓展與探究設計的基礎與設想

1.基礎與目的。探究性實驗的設計需要在前期優化改進實驗的基礎上進行。改進后使用榨汁機迅速充分打碎綠葉再研磨具備以下優點：除制備出高質量色素提取液外，還能節省部分時間用來畫濾液細線;剩余色素提取液還可用來探究葉綠體色素對光的吸收利用特點和葉綠體色素溶液的透光、熒光現象。以上優點為實驗的拓展與探究設計奠定了基礎。在此基礎上，筆者依據新課標，對教材實驗進行了適度的拓展和延伸，指導學生開展基于問題的自主探究性實驗設計，使學生通過體驗探究活動提升實驗設計能力，養成求實和質疑的科學態度，使學生的思維在實驗的拓展與探究中得到多維度的訓練，動手操作能力得到提升。

2.基本思路：學生提出探究問題，嘗試做出假設或猜想，小組討論設計方案，通過設計實驗解決提出的問題。

3.分組探究實驗：①探究葉綠體色素溶液的光譜吸收特點;②探究在光的不同方向下（透射光側、反射光側）葉綠體色素溶液顏色及變化原因。

（三）分組探究實驗①

提出問題：探究色素對不同波長光的吸收情況（探究葉綠體色素溶液的光譜吸收特點）

1.實驗材料用具及設計：剩余色素提取液、無水乙醇、試管、手機手電筒、藍紫光手電筒、紅色激光筆、綠色激光筆、白紙。用不同顏色的光分別照射無水乙醇和色素提取液，操作時光源對每只試管的照射要從試管上部空管處往下移動至色素提取液（空管處與色素提取液處在同一光源下可形成對照，控制無關變量，減小誤差）。觀察背景紙上光點的變化，形成對比。

2.具體操作方法和步驟（探究步驟見表1，部分實驗操作見圖1～3）。

觀察，直觀感知葉綠體色素吸收光譜。結論：乙醇（酒精）溶液不吸收任何波長的光，葉綠體中的色素對光的吸收具有選擇性，葉綠體色素吸收光譜的最強吸收帶有兩個：一個是紅光部分，另一個是藍紫光部分，而對綠光吸收最少。

（四）分組探究實驗②

提出問題：探究在光的不同方向下（透射光側、反射光側）葉綠體色素溶液顏色及變化原因。

1.實驗設計：將色素提取液放在樓道直射光環境下（光源也可用白熾燈代替），分別進行直射光側觀察和反射光側觀察。色素溶液與人眼同高，在透射光側觀察色素溶液的顏色;改變方向，在反射光側觀察色素溶液顏色有無變化。

2.具體操作方法和步驟（探究步驟見表2）。

原理：葉綠素吸收光量子轉變為激發態，激發態的葉綠素分子很不穩定，當它變回到基態時可發射出紅光量子，因而產生熒光。葉綠體色素溶液用日光照射時，其反射光呈紅色的現象叫熒光現象。

學生通過葉綠素的熒光現象實驗的實踐、觀察和思考，理解了光合作用中光能吸收、能量傳遞、光化學反應、ATP合成和CO2固定等光能代謝過程;葉綠體吸收光能靠的是葉綠素，在整體植物中，葉綠素所吸收的光能被用于光合作用，因此，看不到熒光現象。

三、反思與啟發

（一）成功的關鍵

筆者認為本實驗改進成功的關鍵主要有四點：①用榨汁機迅速充分打碎綠葉既方便研磨又利于有機溶劑與色素充分接觸，使得研磨液中色素溶解量增加，獲得高質量的色素提取液，同時節省時間;②確定乙醇等藥品的合理用量;③濾液細線畫法上的改進;④用改進的器具（覆有封口膜的15 mL刻度離心管）層析分離色素的綜合效果就是色素充分釋放，層析效果顯著。

（二）促進學生發展

1.發揮學生的主體性。在探究實驗部分，通過教師積極有效的引導，學生自主探究，非常直觀地觀察到了色素溶液對白光、紅光和藍紫光的吸收現象;學生通過把色素溶液放在太陽光下并觀察色素透光（幾乎不吸收綠光）和熒光現象等一系列由易到難、從簡至繁、層層深入的科學探究活動，激發了學習與探索的積極性和主動性，自己也真正成為了學習的主體。

2.有助于培養學生的問題意識。在基礎實驗中融入探究設計可以使學生在解決問題的過程中發現新問題、解決新問題，這樣更能增強問題意識。例如，色素提取液在樓道直射光環境下呈現綠色這一現象，因為有探究實驗①的鋪墊，學生容易理解葉綠體色素基本不吸收綠光，透出的是綠光而呈現綠色;再將色素提取液置于反射光側，觀察到顏色變為血紅色，并通過探究實驗②的分析找到答案;教師繼續追問：葉綠素熒光現象的原理有哪些方面的應用和價值？學生利用網絡，了解、掌握了相關知識，例如，葉綠素熒光是反映葉綠體狀態和光合作用效率的重要參數，是研究光合作用的無損傷探針，并被廣泛應用于植物光合特性、農業林業育種、病蟲害監測、除草劑檢測、長勢和產量評估、植物抗逆性易感性等方面的研究。探究的過程從問題的提出到問題的解決，不僅使學生的知識得到了深化，而且使學生受到了科學思想和科學方法的教育，培養了學生的學科核心素養。

3.重視實驗過程的合作性。由于探究實驗是圍繞問題的提出和解決而開展的活動，分組探究實驗①②中，不論是背景紙的粘貼、光源的選擇與控制，還是光點檢測、觀察記錄，都需要小組通過分工合作、共同努力才能完成，因而，也是培養學生小組合作意識的過程。

4.用多元評價策略調動學生參與探究實驗的積極性，多方位培養學生的科學思維和創新能力。探究性實驗教學為學生創造了不同于驗證性實驗的學習氛圍，多種可能的實驗結果閃耀著科學的魅力;積極活躍的課堂交流、小組合作，能在不經意間碰撞出思維的火花;從方案設計、實驗探究到結果分析的全過程，學生自評、互評、小組內評價、小組間互評、交流評價，多樣化的評價方式和標準，激發了學生參與探究實踐的熱情，促進了科學思維和創新能力多維度的發展。

（三）促進教師發展

實驗改進與探究設計過程對教師也有重要的自我啟發作用。如白光手電筒就是用手機的手電筒光源前臨時粘上激光筆的小帽制作的。教師自己既要善于動腦，還要勤于動手，既要重視實驗創新，還要考慮該實驗的可操作性和實驗效果，只有設計出效果更顯著、現象更易于觀察的實驗才能激發興趣、引發思考，這樣實驗的改進才會更有意義。在基礎實驗中融入探究性設計，從構思設想、探索嘗試到最終順利開展，需要教師的精心設計和謀劃。作為指導者的教師既要了解學生現有的實驗基礎，還要考慮實驗時間是否夠用、實驗器材和藥品條件能否滿足。當然，最重要的是實驗教師理念新、思維活、會“挖礦”，始終把準教材基礎實驗中科學思維的“礦脈”走向，使學生在實驗的“巷道”中既能收獲“礦品”還能發現“金子”。

新課改已經推進，教師只有緊跟新課改的步伐，更新教學理念，不斷地學習、研究、總結和反思，努力提升學科核心素養和思維品質，才能成為培養學生科學思維、科學品質的優秀引路人。回顧生物科學的發展史，可以說，正是這些思路不同、設計不同、手段不同的生物學實驗推動了生物科學的發展，生物實驗教學是培養學生實驗能力和落實新課標的重要途徑之一。總之，改進、創新永無止境，期待我們能在交流中不斷提高和完善。

[參 考 文 獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書 生物1 必修：分子與細胞[M].2版.北京：人民教育出版社，2011：97-98.

[3]曹麗.人教版教材的幾個實驗材料的改進[J].中學生物學，2010（8）：38.

[4]黃若梅.綠葉中色素的提取與分離實驗材料及過程改進[J].中學生物教學，2020（3）：74-75.

（責任編輯：趙曉梅）