“綠葉中色素提取與分離的再探究”教學(xué)設(shè)計(jì)*

沈小青 （江蘇省震澤中學(xué) 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(zhuǎn)化》中的一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)實(shí)踐性較強(qiáng)，但具體操作層面還存在若干問(wèn)題。可讓學(xué)生在掌握理論的前提下，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行改進(jìn)；并聯(lián)系實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)的疑惑問(wèn)題進(jìn)行自主設(shè)計(jì)與探究，提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

學(xué)生已學(xué)習(xí)了細(xì)胞器的相關(guān)知識(shí)，知道葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，與光合作用相關(guān)的色素分布在葉綠體內(nèi)。但學(xué)生對(duì)光合色素的種類和特質(zhì)并不了解，也缺乏在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行再探究的機(jī)會(huì)與能力。

1 教學(xué)目標(biāo)

1）通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的思考與實(shí)驗(yàn)操作的改進(jìn)，運(yùn)用歸納與概括、批判和創(chuàng)造等方法，發(fā)展解決問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。

2）通過(guò)小組合作自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，提高實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新能力。

3）通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的體驗(yàn)，嘗試對(duì)生活中的問(wèn)題作出理性判斷和解釋，形成科學(xué)的自然觀和世界觀。

2 教學(xué)過(guò)程

2.1 自主學(xué)習(xí)，提出疑惑 課前布置預(yù)習(xí)作業(yè)，學(xué)生結(jié)合教材和資料，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和流程的梳理；聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)，提出相關(guān)疑問(wèn)。問(wèn)題主要集中在以下3個(gè)方面：實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)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(shè)計(jì) 教材中原實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣，實(shí)驗(yàn)效果欠佳，筆者引導(dǎo)學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)資料，嘗試對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行改進(jìn)。學(xué)生通過(guò)比較與歸納，總結(jié)出以下3個(gè)方面。

2.2.1 提取色素的改進(jìn) 原實(shí)驗(yàn)采用研磨過(guò)濾法：取5 g綠葉和10 mL無(wú)水乙醇，將綠葉剪碎，加CaCO3和SiO2研磨過(guò)濾后得到濾液。此方法步驟較多、濾液渾濁、量大浪費(fèi)。參考羅益群[1]的《水浴法提取葉綠體中色素的探討》一文，學(xué)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(guò)程中揮發(fā)。學(xué)生將具體步驟改進(jìn)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(wú)需加入CaCO3和SiO2，也不需過(guò)濾，簡(jiǎn)化了步驟；此外，實(shí)驗(yàn)材料也不再局限于質(zhì)地柔軟的葉片，幾乎所有綠葉都可用于此實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 處理色素提取液的改進(jìn) 原實(shí)驗(yàn)采用畫濾液細(xì)線法：取適宜大小的濾紙條，進(jìn)行剪角和鉛筆畫直線處理，再畫濾液細(xì)線。此方法較為復(fù)雜，且用毛細(xì)吸管難以畫出粗細(xì)均勻的濾液細(xì)線。參考美國(guó)高中主流理科教材《Biology:The Dynamics of Life》（生物·生命的動(dòng)力）[2]分離色素的迷你實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將此操作改為滴植物懸液法?？紤]到實(shí)驗(yàn)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(huì)因毛細(xì)現(xiàn)象出現(xiàn)擴(kuò)散；再考慮到濾紙條存在邊緣效應(yīng)，學(xué)生將具體步驟改進(jìn)為：剪取長(zhǎng)10 cm、寬3 cm的濾紙條，無(wú)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(fù)2～3次。此方法極大地簡(jiǎn)化了操作步驟，且也能得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)效果。

圖1 滴植物懸液法

2.2.3 層析裝置的改進(jìn) 原實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致層析液沒及濾液細(xì)線。參考劉孔烽[3]的《“綠葉中色素的提取與分離”實(shí)驗(yàn)優(yōu)化》一文，學(xué)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(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)于250 mL的燒杯而言偏短，學(xué)生將具體步驟改進(jìn)為：取10 cm長(zhǎng)的舊鉛絲，距離一端邊緣1 cm處進(jìn)行彎折，制成懸掛桿。將懸掛桿穿過(guò)濾紙條，懸掛于燒杯上（圖2）。層析時(shí)，可在層析杯外再罩1 L的大燒杯，有條件的學(xué)校也可將層析杯置于通風(fēng)櫥中，既可避免層析液揮發(fā)對(duì)學(xué)生健康的影響，也不妨礙學(xué)生對(duì)層析過(guò)程的觀察。此方法一次可層析4張濾紙條，濾紙條間彼此獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)結(jié)果互不影響；此外，懸掛處理的濾紙條不會(huì)因吸收層析液而變形，懸掛桿也可重復(fù)利用。

圖2 懸掛式層析法圖

2.3 預(yù)實(shí)驗(yàn)，檢查驗(yàn)證 得出改進(jìn)措施后，學(xué)生以菠菜為材料進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)效果。預(yù)實(shí)驗(yàn)分為2組：一組按教材中原實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行，另一組則以改進(jìn)后的方法進(jìn)行操作。通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)到原實(shí)驗(yàn)操作的弊端：過(guò)程繁瑣且實(shí)驗(yàn)效果不佳，濾紙條上層析出的色素帶不整齊。而改進(jìn)后的操作簡(jiǎn)潔清晰，色素帶的分離也較為整齊有序（圖3）。

圖3 預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 微課題，再探究 在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上，筆者引導(dǎo)學(xué)生嘗試以微課題的形式對(duì)之前提出的疑問(wèn)進(jìn)行再探究。學(xué)生按興趣自由選擇課題、小組討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和得出結(jié)論，最后總結(jié)匯報(bào)。考慮到高中學(xué)生的實(shí)際情況，植物材料的選擇與采集在校園中進(jìn)行。提醒學(xué)生在采集材料的過(guò)程中要注意自身操作的安全；且要具備保護(hù)植物的意識(shí)，在不影響植物生長(zhǎng)的前提下進(jìn)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(wèn)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(jìn)行探究。按改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作，得到紙層析結(jié)果如表1所示。

表1 不同顏色葉片中色素種類的比較

學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：葉片呈現(xiàn)黃色是因?yàn)槿~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?yàn)槿~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(xué)生猜測(cè)此色素為水溶性，并對(duì)其進(jìn)行水層析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這一猜測(cè)。學(xué)生查閱資料，了解到這是存在于細(xì)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(xué)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(shí)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(shí)驗(yàn)材料，以香樟葉作為對(duì)照進(jìn)行探究。學(xué)生對(duì)材料進(jìn)行以下預(yù)處理：去除香樟葉的主葉脈，剪成細(xì)絲；剝下迎春莖部表層結(jié)構(gòu)，剪成小段；用刀片削下柿樹幼果表層薄果皮，剪成細(xì)絲；搓下烏桕幼嫩花序上的花朵，去除花軸；剝?nèi)プ锨G果皮，取出內(nèi)部幼嫩的種子。按改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作，得到紙層析結(jié)果如表2所示。

表2 不同植物器官中色素種類的比較

學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)較少。此外，由于校園里未找到適合作為實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步探究。

3 教學(xué)感悟

杰羅姆?布魯納曾說(shuō)過(guò)，“最好的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是學(xué)生對(duì)研究的東西有著內(nèi)在的興趣。學(xué)生一旦對(duì)所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生興趣，就會(huì)產(chǎn)生愉悅的情緒，從而集中注意力，積極思維”。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生圍繞熟悉的校園植物，從興趣出發(fā)，因興趣堅(jiān)持，并最終為興趣結(jié)果。

“教學(xué)相長(zhǎng)”是師生最好的相處之道。本實(shí)驗(yàn)從開始準(zhǔn)備到結(jié)束歷時(shí)約1個(gè)月。在這段時(shí)間里，教師的任務(wù)是組織與引導(dǎo)，真正的主角是學(xué)生。學(xué)生以科學(xué)家的態(tài)度進(jìn)行科學(xué)探究，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)成功的滿足與實(shí)驗(yàn)失敗的無(wú)奈；教師作為特殊的旁觀者，分享著學(xué)生的歡樂(lè)與失落，也實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的自我成長(zhǎng)。