基于STEAM理念對色素提取與分離實驗的改進

摘 要：色素的提取與分離是高中生物必修一模塊中一個必須掌握的基礎性實驗，能有效提高學生聯系生物與生活、實驗操作改造能力和實驗的鑒賞能力。該實驗自編入人教版課本多年以來，實驗的材料和操作步驟等基本上沒有做過修改。結合教學實踐和教師的反映發現，即使完全按照課本所提供的材料和實驗方案進行規范操作，色素提取和分離的效果依然不夠理想。基于STEAM理念，學生依據教材的基本原理，通過自主設計、選材、加工并改善色素提取方法及色素分離的方法。通過學生不斷探索和反復試驗，最終實驗現象更明顯，實驗操作也相對更便捷，從而達到學生的學習推動教育者的教學改革，以學促改。

關鍵詞：STEAM；色素提取；色素分離；生物實驗

一、問題的提出

實驗“綠葉中色素的提取和分離”是人民教育出版社出版的高中生物必修一“分子與細胞”中的重點實驗之一，葉綠體中的色素在光合作用中起著吸收、傳遞與轉化光能的作用。精心設計綠葉中色素的提取和分離實驗，有助于學生更好地理解光合色素的種類和作用。加強學生對光合作用的理解和掌握，培養學生提取、分離、觀察葉綠體中色素的技能。然而結合教學實踐和教師們的反映發現，即使完全按照必修一教材提供的材料和實驗方案進行規范操作，色素的提取和分離效果依然不理想。主要原因可能是：1. 學生研磨技能差，用藥量不準確，沒有充分提取出色素或者色素在提取的過程中被破壞。2. 有些菠菜葉肉細胞的葉綠體中色素含量并不高，且研磨過程中，色素分子極容易遭受破壞。3. 采用條形濾紙層析法，因操作煩瑣，注意事項頗多，如不規范操作，很難得到較好的實驗結果。基于STEAM教學理念，讓學生對實驗進行設計和改造，教師提供實驗材料及基本原理指導，然后經過師生重新設計、改善，提高色素的提取效率，改變實驗提取的方法，色素分離的現象更明顯。實驗過程都是基于STEAM（Science-Technology-Engineering-Arts-Maths，即科學—技術—工程—藝術—數學）基本理念，進行跨學科融合而設計。基本思路如下：

二、實驗設計

（一）實驗原理

綠葉中與光合作用有關的色素不溶于水，但能夠溶解在無水乙醇等有機溶劑中。無水乙醇無色無毒，且沒有強烈刺激性氣味，所以我們通常用無水乙醇提取綠葉中的光合色素。綠葉中與光合有關的色素不止一種，它們都能溶解在層析液中。不同的光合色素在層析液中的溶解度不同，溶解度較高的色素隨層析液在濾紙上擴散得相對快些，反之則慢些。經放置一段時間，色素就會在濾紙上因擴散速率不同而相互分開。在我們生活中，也有很多食品使用了色素作為著色劑，不但食物色澤鮮艷，相比人工色素而言，從植物中提取的色素更安全。實驗過程中，學生通過依據教材的基本原理，基于STEAM教育理念，自主設計并改進實驗方法，達到更理想的效果。

（二）材料用具

實驗材料：新鮮的綠葉（菠菜、小白菜、韭菜等），無水乙醇，層析液，二氧化硅，碳酸鈣粉末，蓋玻片，木質牙簽白粉筆，干燥的定性濾紙，干燥的圓形濾紙，尼龍布。

實驗儀器：榨汁機，玻璃漏斗，毛細吸管，藥勺，量筒，天平，試管，棉塞，大小培養皿，圓規，筆帽，火柴，燒杯，試管架，研缽，剪刀，毛筆。

三、實驗過程

（一）學生對色素提取材料的改進

稱取一定量的新鮮綠葉，剪碎，置于榨汁機的容器內。實驗中使用的綠葉不僅有傳統的菠菜葉片，同時準備韭菜等幾種富含葉綠素的葉片，供學生選擇，以便形成實驗對照。

（二）學生對色素提取方法的改進

利用榨汁機代替研缽。將剪碎的葉片加入榨汁機，同時加入少量碳酸鈣粉末和適量的無水乙醇，無水乙醇需要沒及葉片，然后啟動機器，對葉片進行粉碎。

將研磨液迅速倒入玻璃漏斗中（漏斗的基部放一塊單層的尼龍布）進行過濾。用試管收集濾液，并且及時使用棉塞將試管口塞嚴。

（三）學生對色素分離方法的改進

紙層析法：

1. 將干燥的定性濾紙，用剪刀剪成長條形，將濾紙條的一段減去兩角，并在距離這一端1cm處使用鉛筆畫一條細細的橫線。

2. 用蓋玻片均勻蘸取少量綠葉，并置于所畫的橫線上，待濾液干后，再重復兩到三次。

3. 燒杯中液倒入適量的層析。圓形濾紙中間剪開一條略寬于濾紙條寬度的小口，圓形濾紙蓋在燒杯上。濾紙條從圓形濾紙上端插入燒杯中，下端輕輕插入層析液，注意絕對不能讓畫濾液的細線觸及層析液。

4. 待四種色素分開后取下，晾干。

白粉筆層析法：

1. 將白色粉筆置于酒精燈上烘烤，待烘干冷卻后使用。

2. 在粉筆粗端距離底部1.5cm處，用鉛筆沿粉筆畫一個圓形環。

3. 粉筆橫放，用細毛筆尖端蘸取葉綠素，沿錢幣環線畫葉綠色線，環線盡量保持細，待干后，再次畫線，反復進行5—6次，晾干。

4. 燒杯中放置1cm高的層析液，將粉筆粗端放入層析液中。

5. 幾分鐘后，色素隨層析液上升，待四種色素完全分開。取出粉筆，晾干。

圓形濾紙層析法：

1. 用直尺畫線，找到圓形濾紙圓心，用圓規畫出幾個不同大小的圓。

2. 用火柴桿刺破圓心，調整火柴桿長度。當圓形濾紙放到小培養皿上，火柴桿的一側與濾紙平齊，另一側火柴桿剛剛觸及培養皿底部層析液。

3. 使用邊緣較薄的筆帽，蘸取色素提取液，以畫好的圓為參照物，在濾紙中心扣上圓環。待干燥后，重復進行上述操作3—5次。

4. 插入火柴桿，將長的一段插入層析液中。蓋上大培養皿。

5. 當四種色素完全分離，取出濾紙，晾干。

四、結論與建議

（一）研究結論

教材中色素提取與分離實驗，經常出現實驗操作煩瑣、現象不明顯等缺點。對實驗深入了解之后，發現有很多可以提高實驗效率和效果的方法。基于STEAM理念，集思廣益，查閱各種可以改進實驗的方法。例如學生提出，韭菜等一些植物的葉綠素含量更高、榨汁機工作效率高以及不同的分離色素的方法等。實驗過程，不但提高了學生的思維能力、查閱資料的能力，還能鍛煉學生的實驗操作能力以及作品的鑒賞能力。

本實驗不僅可以在課堂中進行，更可以延伸到課外，甚至可以作為家庭親子活動。有的學生將自己提取的色素直接作為家庭食品添加劑，如用于制作面食等，可以做出五顏六色的食品，安全又環保。將知識應用于實踐，形成與時俱進的思維。有的學生將自己獲得的圓形層析濾紙做書簽，也有的學生將層析后的粉筆放在透明管里，用來欣賞。本實驗改進后能夠完美完成課本實驗，又不拘泥于課本。這不但提高了教師教學效果和學生學習興趣，更提高了學生發現美、創造美的能力，從而提高學生的審美情趣。

（二）研究建議

生物是一門以實驗現象為研究對象的自然科學。隨著教改的不斷深入，生物學科的教學任務已不再局限于常規的知識與技能的掌握，更注重鍛煉學生的思維方法，從而促進學生的全面發展，實現提升學生生物核心素養的目的。葉綠色提取與分離實驗，是高中生物實驗中的一個經典實驗，是建立在前輩們大量實驗基礎上總結出來的，對教師的教學和學生的學習有著重要的指導作用。通過學習本實驗，學生能進一步了解植物光合作用相關色素的知識內容，同時也能科學了解生活中的光合作用現象，有著深刻的教育意義。作為一線生物教師，不能機械性教學，實驗改進和創新是必不可少的。在不斷的研究、改進和創新過程中，讓學生掌握知識與技能，融入情感態度和價值觀，充分實現生物學科的科學素養。因此，教師要處理好課本知識和創新發展之間的關系，要立足于經典實驗，開展創新實驗，讓學生開拓思維，從知識、技能、方法、思維等各方面得以全面提高，充分體現學生為中心的生物學科核心素養的功能與價值。

參考文獻：

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