“綠葉中色素提取與分離的再探究”教學設計*

沈小青 （江蘇省震澤中學 江蘇蘇州 215200）

“綠葉中色素的提取與分離”是人教版高中生物必修1《光合作用與能量轉化》中的一個探究性實驗。該實驗實踐性較強，但具體操作層面還存在若干問題。可讓學生在掌握理論的前提下，對實驗操作進行改進；并聯(lián)系實際生活經驗，對相關的疑惑問題進行自主設計與探究，提升學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

學生已學習了細胞器的相關知識，知道葉綠體是植物進行光合作用的場所，與光合作用相關的色素分布在葉綠體內。但學生對光合色素的種類和特質并不了解，也缺乏在教材實驗的基礎上進行再探究的機會與能力。

1 教學目標

1）通過對實驗原理的思考與實驗操作的改進，運用歸納與概括、批判和創(chuàng)造等方法，發(fā)展解決問題的思維習慣和能力。

2）通過小組合作自主設計實驗方案，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力、團隊合作能力和創(chuàng)新能力。

3）通過對實驗結果的分析和實驗過程的體驗，嘗試對生活中的問題作出理性判斷和解釋，形成科學的自然觀和世界觀。

2 教學過程

2.1 自主學習，提出疑惑 課前布置預習作業(yè)，學生結合教材和資料，完成對實驗原理和流程的梳理；聯(lián)系生活經驗，提出相關疑問。問題主要集中在以下3個方面：實驗的改進措施，不同顏色葉片中色素的差異，以及其他植物器官中是否也含有光合色素。

2.2 立體整合，優(yōu)化設計 教材中原實驗過程繁瑣，實驗效果欠佳，筆者引導學生自主查閱文獻資料，嘗試對實驗操作進行改進。學生通過比較與歸納，總結出以下3個方面。

2.2.1 提取色素的改進 原實驗采用研磨過濾法：取5 g綠葉和10 mL無水乙醇，將綠葉剪碎，加CaCO3和SiO2研磨過濾后得到濾液。此方法步驟較多、濾液渾濁、量大浪費。參考羅益群[1]的《水浴法提取葉綠體中色素的探討》一文，學生將此操作改為沸水浴加熱法。考慮到燒杯比試管更易操作，但燒杯開口較大，酒精易在水浴的過程中揮發(fā)。學生將具體步驟改進為：取1 g綠葉和4 mL 95%乙醇，綠葉剪碎后放入小燒杯，加入乙醇，用保鮮膜封口，沸水浴加熱2 min。此方法無需加入CaCO3和SiO2，也不需過濾，簡化了步驟；此外，實驗材料也不再局限于質地柔軟的葉片，幾乎所有綠葉都可用于此實驗。

2.2.2 處理色素提取液的改進 原實驗采用畫濾液細線法：取適宜大小的濾紙條，進行剪角和鉛筆畫直線處理，再畫濾液細線。此方法較為復雜，且用毛細吸管難以畫出粗細均勻的濾液細線。參考美國高中主流理科教材《Biology:The Dynamics of Life》（生物·生命的動力）[2]分離色素的迷你實驗，學生將此操作改為滴植物懸液法。考慮到實驗室常用的濾紙為10 cm×10 cm的正方形；又由于色素提取液中含有乙醇，滴落在濾紙上會因毛細現(xiàn)象出現(xiàn)擴散；再考慮到濾紙條存在邊緣效應，學生將具體步驟改進為：剪取長10 cm、寬3 cm的濾紙條，無需剪角和鉛筆畫線處理，直接用巴氏吸管吸取之前沸水浴獲得的色素提取液，懸滴至距濾紙條一端邊緣2 cm處（圖1）。待懸滴液干燥后，可重復2～3次。此方法極大地簡化了操作步驟，且也能得到相應的實驗效果。

圖1 滴植物懸液法

2.2.3 層析裝置的改進 原實驗采用斜靠式層析法：將濾紙條插入層析液并斜靠在燒杯壁上，蓋上培養(yǎng)皿蓋。此方法一次層析的濾紙條數(shù)較少，層析效率不高；且濾紙條吸收層析液后變軟及蓋上培養(yǎng)皿蓋的操作都可能導致層析液沒及濾液細線。參考劉孔烽[3]的《“綠葉中色素的提取與分離”實驗優(yōu)化》一文，學生將此操作改為懸掛式層析法。考慮到之前制備的濾紙條長度為10 cm，選用250 mL的燒杯作為層析杯較為合適；但牙簽的長度對于250 mL的燒杯而言偏短，學生將具體步驟改進為：取10 cm長的舊鉛絲，距離一端邊緣1 cm處進行彎折，制成懸掛桿。將懸掛桿穿過濾紙條，懸掛于燒杯上（圖2）。層析時，可在層析杯外再罩1 L的大燒杯，有條件的學校也可將層析杯置于通風櫥中，既可避免層析液揮發(fā)對學生健康的影響，也不妨礙學生對層析過程的觀察。此方法一次可層析4張濾紙條，濾紙條間彼此獨立，實驗結果互不影響；此外，懸掛處理的濾紙條不會因吸收層析液而變形，懸掛桿也可重復利用。

圖2 懸掛式層析法圖

2.3 預實驗，檢查驗證 得出改進措施后，學生以菠菜為材料進行預實驗檢測實驗效果。預實驗分為2組：一組按教材中原實驗操作進行，另一組則以改進后的方法進行操作。通過預實驗，學生真實體驗到原實驗操作的弊端：過程繁瑣且實驗效果不佳，濾紙條上層析出的色素帶不整齊。而改進后的操作簡潔清晰，色素帶的分離也較為整齊有序（圖3）。

圖3 預實驗結果

2.4 微課題，再探究 在改進實驗操作的基礎上，筆者引導學生嘗試以微課題的形式對之前提出的疑問進行再探究。學生按興趣自由選擇課題、小組討論設計實驗方案、進行實驗和得出結論，最后總結匯報。考慮到高中學生的實際情況，植物材料的選擇與采集在校園中進行。提醒學生在采集材料的過程中要注意自身操作的安全；且要具備保護植物的意識，在不影響植物生長的前提下進行采集。

2.4.1 探究不同顏色葉片中色素種類的差異 植物的綠葉和黃葉中的色素有何差別？為什么有些植物的葉片是紅色？基于上述問題，興趣小組第1組選擇了校園中常見的香樟綠葉、香樟黃葉、紅花檵木和紅葉李4種材料進行探究。按改進后的實驗操作，得到紙層析結果如表1所示。

表1 不同顏色葉片中色素種類的比較

學生分析實驗結果得出：葉片呈現(xiàn)黃色是因為葉綠素a和葉綠素b已降解；而紅花檵木和紅葉李呈現(xiàn)紅色則是因為葉片中除4種光合色素外，還存在著一種不能溶解于層析液的未知色素（呈紫紅色）。學生猜測此色素為水溶性，并對其進行水層析，實驗結果證明了這一猜測。學生查閱資料，了解到這是存在于細胞液泡中的花青素。

2.4.2 探究植物其他器官中是否含有光合色素在校園里，學生發(fā)現(xiàn)除葉片外，植物其他器官也有呈綠色的現(xiàn)象。那些部位是否也存在光合色素？時值6月初，興趣小組第2組選擇了迎春莖、烏桕幼花、柿樹幼果和紫荊幼嫩的種子這4種綠色器官作為實驗材料，以香樟葉作為對照進行探究。學生對材料進行以下預處理：去除香樟葉的主葉脈，剪成細絲；剝下迎春莖部表層結構，剪成小段；用刀片削下柿樹幼果表層薄果皮，剪成細絲；搓下烏桕幼嫩花序上的花朵，去除花軸；剝去紫荊果皮，取出內部幼嫩的種子。按改進后的實驗操作，得到紙層析結果如表2所示。

表2 不同植物器官中色素種類的比較

學生分析實驗結果得出：以上5種材料中都含有4種光合色素；相較于香樟綠葉，迎春莖的色素含量也較為豐富，而柿樹幼果、烏桕幼花和紫荊幼嫩種子中的色素含量則相對較少。此外，由于校園里未找到適合作為實驗材料的植物根，所以，植物的根是否可能含有光合色素還有待進一步探究。

3 教學感悟

杰羅姆?布魯納曾說過，“最好的學習動機是學生對研究的東西有著內在的興趣。學生一旦對所學知識產生興趣，就會產生愉悅的情緒，從而集中注意力，積極思維”。在整個實驗過程中，學生圍繞熟悉的校園植物，從興趣出發(fā)，因興趣堅持，并最終為興趣結果。

“教學相長”是師生最好的相處之道。本實驗從開始準備到結束歷時約1個月。在這段時間里，教師的任務是組織與引導，真正的主角是學生。學生以科學家的態(tài)度進行科學探究，體驗實驗成功的滿足與實驗失敗的無奈；教師作為特殊的旁觀者，分享著學生的歡樂與失落，也實現(xiàn)了教與學的自我成長。