創(chuàng)新實驗教學(xué) 提升核心素養(yǎng)
——以“綠葉中色素的提取和分離”實驗為例

甘肅隴西縣文峰中學(xué)（748121）李 蕊

“綠葉中色素的提取和分離”實驗是新人教版高中生物學(xué)中學(xué)生必做的實驗，其在歷年高考和普通高中學(xué)業(yè)水平合格性考試中頻繁出現(xiàn)。該實驗安排在“捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)”內(nèi)容之前，是一個“嵌入式”的驗證性實驗，一方面能夠更好地將葉綠體的結(jié)構(gòu)與光合作用知識相銜接，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)光合作用做好鋪墊；另一方面能夠幫助學(xué)生直觀感受和理解色素的種類和性質(zhì)，使學(xué)生通過實驗操作掌握提取和分離色素的技能。

在本實驗的常規(guī)教學(xué)中，教師多是讓學(xué)生按照教材中的實驗步驟分步操作，這樣做實驗，點樣難度大，且通過紙層析法得到的濾紙條無論是顏色還是色素帶的寬窄都不太理想。經(jīng)過反復(fù)的實驗驗證發(fā)現(xiàn)，對實驗材料與處理方法、畫線方法、層析裝置等加以改進(jìn)，可取得不錯的實驗效果。

一、實驗改進(jìn)

（一）實驗材料與處理方法的改進(jìn)

對于“綠葉中色素的提取和分離”實驗，教材中選取的實驗材料是新鮮的菠菜葉。菠菜是反季節(jié)蔬菜，由于受氣溫、光照等因素的影響，菠菜葉中的含水量和色素含量會發(fā)生變化。因此，在教學(xué)時教師可用其他材料替代菠菜葉。

通過對比菠菜、三葉草、韭菜等常見植物的色素提取和分離實驗發(fā)現(xiàn)，三葉草的實驗效果最佳，色素帶清晰，顏色鮮艷，分布均勻。三葉草葉肉發(fā)達(dá)，含水量較低，充分研磨后，其濾液顏色濃綠。而且三葉草分布廣，適應(yīng)性強(qiáng)，生長周期長，方便實驗隨時取材。

甘肅省大部分地區(qū)的學(xué)校在教學(xué)此實驗時正值12 月份，如果要選擇新鮮的菠菜葉作為實驗材料進(jìn)行實驗會有明顯的不足，對此可通過一些方法對菠菜葉進(jìn)行處理，以改善實驗效果。

不足：（1）新鮮的菠菜葉含水量較高，研磨后獲得的濾液中有較多的水分，從而導(dǎo)致提取的色素液濃度低，質(zhì)量差異大；（2）研磨法限制了對實驗材料的選擇；（3）按照教材中畫濾液細(xì)線的方法（用毛細(xì)吸管吸取少量濾液，沿鉛筆線均勻地畫出一條濾液細(xì)線，待濾液干后，再重畫一到兩次）畫線的結(jié)果是濾液細(xì)線不夠明顯，層析效果不佳（如圖1）。

圖1

改進(jìn)：在材料處理過程中，可以采用晾干處理和干粉法。晾干處理和干粉法所呈現(xiàn)的實驗效果明顯比研磨法好，具體如表1所示。

表1 實驗材料處理方法

實驗改進(jìn)后：（1）降低葉片含水量，提高葉綠素的濃度；（2）能夠突破研磨法的材料限制，可對各種綠色葉片進(jìn)行色素提取。

（二）畫線方法的改進(jìn)

教材中用毛細(xì)吸管吸取少量濾液，沿鉛筆線均勻地畫出一條濾液細(xì)線。但在實際操作中，我們很難用毛細(xì)吸管將濾液細(xì)線畫得細(xì)、齊、直。最常見的現(xiàn)象是濾液細(xì)線前后不均勻，導(dǎo)致層析后色素帶的分布不均勻，出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。因此，運用毛細(xì)吸管畫濾液細(xì)線存在不足。

不足：（1）研磨時加入的二氧化硅和碳酸鈣容易堵塞毛細(xì)吸管；（2）濾液細(xì)線的起止端毛邊現(xiàn)象明顯；（3）毛細(xì)吸管末端不光滑，容易劃傷濾紙。

改進(jìn)：在實驗操作中，可以嘗試運用表2 中的幾種畫線方法，其層析效果如圖2所示。

表2 畫線方法

圖2 不同畫線方法對應(yīng)的層析效果

通過比較發(fā)現(xiàn)三種方法色素帶都比較明顯，其中鋼筆法和細(xì)棉線法效果好，色素帶平整，載玻片法對應(yīng)葉綠素帶比較平整，并且三種方法操作起來更方便，能夠克服毛細(xì)吸管畫線法中堵塞、毛邊、不光滑等問題。

（三）層析裝置的改進(jìn)

在用紙層析法分離色素時，層析裝置的選擇至關(guān)重要。教材中使用了燒杯加培養(yǎng)皿的實驗裝置，雖然簡便但存在不足。

不足：（1）濾紙條放在層析液中會變軟，會出現(xiàn)貼壁或者相互接觸的情況，影響層析效果；（2）將培養(yǎng)皿蓋在燒杯上時，會出現(xiàn)濾紙條移位或者脫離層析液的情況，影響實驗效果。

改進(jìn)：將燒杯加培養(yǎng)皿的實驗裝置改成懸空式裝置（如圖3-1），可用圓形定性濾紙制作懸空裝置，蓋在燒杯上，為了防止濾紙條移動，可將蓋子用橡皮筋固定在燒杯口。

圖3-1 懸空式層析裝置

還可把鐵絲搭在燒杯口，將濾紙上端對折掛在鐵絲上，再蓋上培養(yǎng)皿，進(jìn)行懸掛式層析（如圖3-2），這樣可解決濾紙相互接觸或者貼壁的問題。

圖3-2 懸掛式層析裝置

改進(jìn)后的層析裝置與原裝置相比，有以下優(yōu)點：（1）操作簡便，不會出現(xiàn)濾紙相互接觸或者貼壁的現(xiàn)象；（2）可以同時進(jìn)行多組對照實驗，對比不同植物綠葉中色素的種類和含量或者對比相同植物在不同條件下葉片中色素種類和含量的變化；（3）可以很好地解決器材不足的問題。

（四）層析液的改進(jìn)和回收處理

教材實驗所使用的層析液是由20 份石油醚、2份丙酮、1 份苯混合而成，這三種物質(zhì)的揮發(fā)性都很強(qiáng)，尤其是人體皮膚接觸苯后非常容易吸收，苯對人體的危害更大。因此，對實驗中層析液的改進(jìn)和回收處理十分重要。

改進(jìn)：用20 份石油醚、2 份丙酮配制的混合液代替教材實驗中的層析液。這樣改進(jìn)，實驗效果明顯，不但減少了實驗室有毒化學(xué)試劑的使用量，而且可避免學(xué)生實驗時應(yīng)用苯而存在的安全問題。

通過對新配制的層析液與已使用過的層析液進(jìn)行實驗對比發(fā)現(xiàn)，已使用過的層析液依舊可以回收利用，層析效果依舊比較明顯，這樣就可以避免藥品的浪費，并且層析液的回收再利用也可以減少對環(huán)境的污染。

二、改進(jìn)實驗后的教學(xué)設(shè)計

（一）設(shè)計實驗方案

實驗前，教師收集素材并利用多媒體投影，讓學(xué)生在分享和評價的過程中對實驗的操作步驟和注意事項有更加深入的了解。在實驗中，讓學(xué)生利用不同的材料進(jìn)行實驗，通過對實驗結(jié)果的分析對比，加強(qiáng)對色素的種類、含量等相關(guān)知識的理解與記憶。具體實驗方案如圖4所示。

圖4 實驗方案

（二）創(chuàng)設(shè)問題情境，設(shè)疑導(dǎo)入實驗

教師創(chuàng)設(shè)問題情境：為什么大多數(shù)植物都是綠色的？色素有什么功能？如何獲得綠葉中的色素？怎樣研究色素的功能？引入綠葉中色素的提取和分離實驗。

（三）講解操作，明確要求

教師引導(dǎo)學(xué)生思考實驗原理和實驗試劑的關(guān)系，使學(xué)生掌握實驗操作要點：（1）濾紙條要剪去兩角以防止邊緣效應(yīng)；（2）畫濾液線時，必須將濾液線吹干后再重復(fù)；（3）分離色素時，不能讓濾液細(xì)線觸及層析液。考慮到實驗操作中所用的層析液揮發(fā)性強(qiáng)等因素以及學(xué)生的健康問題，實驗需在通風(fēng)條件下進(jìn)行。

（四）分組實驗，合作探究

將全班學(xué)生分成3 組，每一組選擇一種實驗材料，采用3 種畫線方法，按照上述實驗方案開展實驗。在實驗過程中，教師結(jié)合問題適時引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生大膽猜想、主動探究，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)觀察、比較分析。

（五）對比結(jié)果，分析總結(jié)

實驗結(jié)束后，每組選出代表，將本組的濾紙條用多媒體展示出來，然后分析出現(xiàn)實驗誤差的原因，強(qiáng)調(diào)實驗操作的規(guī)范性。每位學(xué)生對比分析不同材料、不同畫線法所對應(yīng)的實驗，完成下列表格（如表3、表4）。

表3 實驗結(jié)果展示

表4 實驗結(jié)果分析

（六）教學(xué)反思與評價

通過對實驗材料與處理方法、畫線方法、層析裝置的改進(jìn)，使色素的提取和畫濾液細(xì)線更容易進(jìn)行；材料和藥品消耗減少，符合節(jié)約的原則。在實驗過程中，學(xué)生自主進(jìn)行實驗方案設(shè)計，交流展示實驗結(jié)果，不僅鍛煉了語言表達(dá)能力、合作探究能力、知識遷移能力，還提高了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、改進(jìn)后實驗結(jié)果的應(yīng)用

根據(jù)改進(jìn)后的實驗方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正確操作，就可得到比較平整的色素帶，實驗效果比較理想。學(xué)生可以通過對照實驗原理來分析實驗結(jié)果，將實驗結(jié)果應(yīng)用于習(xí)題的解析。在高考和普通高中學(xué)業(yè)水平合格性考試中，經(jīng)常會出現(xiàn)對紙層析法色素分離效果圖（如圖5）的分析，這就要求學(xué)生能熟記用不同層析裝置做實驗所得到的結(jié)果。

圖5 色素分離效果圖

總之，通過對實驗的改進(jìn)，加深了學(xué)生對實驗原理和實驗操作方法的理解，激發(fā)了學(xué)生對高中生物學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的合作能力，培養(yǎng)了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。