“绿叶中色素提取与分离的再探究”教学设计*

沈小青 （江苏省震泽中学 江苏苏州 215200）

“绿叶中色素的提取与分离”是人教版高中生物必修1《光合作用与能量转化》中的一个探究性实验。该实验实践性较强，但具体操作层面还存在若干问题。可让学生在掌握理论的前提下，对实验操作进行改进；并联系实际生活经验，对相关的疑惑问题进行自主设计与探究，提升学生的生物学学科核心素养。

学生已学习了细胞器的相关知识，知道叶绿体是植物进行光合作用的场所，与光合作用相关的色素分布在叶绿体内。但学生对光合色素的种类和特质并不了解，也缺乏在教材实验的基础上进行再探究的机会与能力。

1 教学目标

1）通过对实验原理的思考与实验操作的改进，运用归纳与概括、批判和创造等方法，发展解决问题的思维习惯和能力。

2）通过小组合作自主设计实验方案，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力、团队合作能力和创新能力。

3）通过对实验结果的分析和实验过程的体验，尝试对生活中的问题作出理性判断和解释，形成科学的自然观和世界观。

2 教学过程

2.1 自主学习，提出疑惑 课前布置预习作业，学生结合教材和资料，完成对实验原理和流程的梳理；联系生活经验，提出相关疑问。问题主要集中在以下3个方面：实验的改进措施，不同颜色叶片中色素的差异，以及其他植物器官中是否也含有光合色素。

2.2 立体整合，优化设计 教材中原实验过程繁琐，实验效果欠佳，笔者引导学生自主查阅文献资料，尝试对实验操作进行改进。学生通过比较与归纳，总结出以下3个方面。

2.2.1 提取色素的改进 原实验采用研磨过滤法：取5 g绿叶和10 mL无水乙醇，将绿叶剪碎，加CaCO3和SiO2研磨过滤后得到滤液。此方法步骤较多、滤液浑浊、量大浪费。参考罗益群[1]的《水浴法提取叶绿体中色素的探讨》一文，学生将此操作改为沸水浴加热法。考虑到烧杯比试管更易操作，但烧杯开口较大，酒精易在水浴的过程中挥发。学生将具体步骤改进为：取1 g绿叶和4 mL 95%乙醇，绿叶剪碎后放入小烧杯，加入乙醇，用保鲜膜封口，沸水浴加热2 min。此方法无需加入CaCO3和SiO2，也不需过滤，简化了步骤；此外，实验材料也不再局限于质地柔软的叶片，几乎所有绿叶都可用于此实验。

2.2.2 处理色素提取液的改进 原实验采用画滤液细线法：取适宜大小的滤纸条，进行剪角和铅笔画直线处理，再画滤液细线。此方法较为复杂，且用毛细吸管难以画出粗细均匀的滤液细线。参考美国高中主流理科教材《Biology:The Dynamics of Life》（生物·生命的动力）[2]分离色素的迷你实验，学生将此操作改为滴植物悬液法。考虑到实验室常用的滤纸为10 cm×10 cm的正方形；又由于色素提取液中含有乙醇，滴落在滤纸上会因毛细现象出现扩散；再考虑到滤纸条存在边缘效应，学生将具体步骤改进为：剪取长10 cm、宽3 cm的滤纸条，无需剪角和铅笔画线处理，直接用巴氏吸管吸取之前沸水浴获得的色素提取液，悬滴至距滤纸条一端边缘2 cm处（图1）。待悬滴液干燥后，可重复2～3次。此方法极大地简化了操作步骤，且也能得到相应的实验效果。

图1 滴植物悬液法

2.2.3 层析装置的改进 原实验采用斜靠式层析法：将滤纸条插入层析液并斜靠在烧杯壁上，盖上培养皿盖。此方法一次层析的滤纸条数较少，层析效率不高；且滤纸条吸收层析液后变软及盖上培养皿盖的操作都可能导致层析液没及滤液细线。参考刘孔烽[3]的《“绿叶中色素的提取与分离”实验优化》一文，学生将此操作改为悬挂式层析法。考虑到之前制备的滤纸条长度为10 cm，选用250 mL的烧杯作为层析杯较为合适；但牙签的长度对于250 mL的烧杯而言偏短，学生将具体步骤改进为：取10 cm长的旧铅丝，距离一端边缘1 cm处进行弯折，制成悬挂杆。将悬挂杆穿过滤纸条，悬挂于烧杯上（图2）。层析时，可在层析杯外再罩1 L的大烧杯，有条件的学校也可将层析杯置于通风橱中，既可避免层析液挥发对学生健康的影响，也不妨碍学生对层析过程的观察。此方法一次可层析4张滤纸条，滤纸条间彼此独立，实验结果互不影响；此外，悬挂处理的滤纸条不会因吸收层析液而变形，悬挂杆也可重复利用。

图2 悬挂式层析法图

2.3 预实验，检查验证 得出改进措施后，学生以菠菜为材料进行预实验检测实验效果。预实验分为2组：一组按教材中原实验操作进行，另一组则以改进后的方法进行操作。通过预实验，学生真实体验到原实验操作的弊端：过程繁琐且实验效果不佳，滤纸条上层析出的色素带不整齐。而改进后的操作简洁清晰，色素带的分离也较为整齐有序（图3）。

图3 预实验结果

2.4 微课题，再探究 在改进实验操作的基础上，笔者引导学生尝试以微课题的形式对之前提出的疑问进行再探究。学生按兴趣自由选择课题、小组讨论设计实验方案、进行实验和得出结论，最后总结汇报。考虑到高中学生的实际情况，植物材料的选择与采集在校园中进行。提醒学生在采集材料的过程中要注意自身操作的安全；且要具备保护植物的意识，在不影响植物生长的前提下进行采集。

2.4.1 探究不同颜色叶片中色素种类的差异 植物的绿叶和黄叶中的色素有何差别？为什么有些植物的叶片是红色？基于上述问题，兴趣小组第1组选择了校园中常见的香樟绿叶、香樟黄叶、红花檵木和红叶李4种材料进行探究。按改进后的实验操作，得到纸层析结果如表1所示。

表1 不同颜色叶片中色素种类的比较

学生分析实验结果得出：叶片呈现黄色是因为叶绿素a和叶绿素b已降解；而红花檵木和红叶李呈现红色则是因为叶片中除4种光合色素外，还存在着一种不能溶解于层析液的未知色素（呈紫红色）。学生猜测此色素为水溶性，并对其进行水层析，实验结果证明了这一猜测。学生查阅资料，了解到这是存在于细胞液泡中的花青素。

2.4.2 探究植物其他器官中是否含有光合色素在校园里，学生发现除叶片外，植物其他器官也有呈绿色的现象。那些部位是否也存在光合色素？时值6月初，兴趣小组第2组选择了迎春茎、乌桕幼花、柿树幼果和紫荆幼嫩的种子这4种绿色器官作为实验材料，以香樟叶作为对照进行探究。学生对材料进行以下预处理：去除香樟叶的主叶脉，剪成细丝；剥下迎春茎部表层结构，剪成小段；用刀片削下柿树幼果表层薄果皮，剪成细丝；搓下乌桕幼嫩花序上的花朵，去除花轴；剥去紫荆果皮，取出内部幼嫩的种子。按改进后的实验操作，得到纸层析结果如表2所示。

表2 不同植物器官中色素种类的比较

学生分析实验结果得出：以上5种材料中都含有4种光合色素；相较于香樟绿叶，迎春茎的色素含量也较为丰富，而柿树幼果、乌桕幼花和紫荆幼嫩种子中的色素含量则相对较少。此外，由于校园里未找到适合作为实验材料的植物根，所以，植物的根是否可能含有光合色素还有待进一步探究。

3 教学感悟

杰罗姆•布鲁纳曾说过，“最好的学习动机是学生对研究的东西有着内在的兴趣。学生一旦对所学知识产生兴趣，就会产生愉悦的情绪，从而集中注意力，积极思维”。在整个实验过程中，学生围绕熟悉的校园植物，从兴趣出发，因兴趣坚持，并最终为兴趣结果。

“教学相长”是师生最好的相处之道。本实验从开始准备到结束历时约1个月。在这段时间里，教师的任务是组织与引导，真正的主角是学生。学生以科学家的态度进行科学探究，体验实验成功的满足与实验失败的无奈；教师作为特殊的旁观者，分享着学生的欢乐与失落，也实现了教与学的自我成长。