“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?？勺寣W生在掌握理論的前提下，對實驗操作進行改進；并聯系實際生活經驗，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。

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、批判和創造等方法，發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，學生結合教材和資料，完成對實驗原理和流程的梳理；聯系生活經驗，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?？紤]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。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?？紤]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象出現擴散；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，蓋上培養皿蓋。此方法一次層析的濾紙條數較少，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”實驗優化》一文，學生將此操作改為懸掛式層析法?？紤]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?？紤]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，學生發現除葉片外，植物其他器官也有呈綠色的現象。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，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，也實現了教與學的自我成長。