“绿叶中色素的提取和分离”实验的改进与拓展

陈能训

摘 要 依据实验原理，使用榨汁机打碎绿叶再研磨，改进滤液细线画法，使用15 mL刻度离心管替代试管或小烧杯等，在关键环节对“绿叶中色素的提取和分离”实验进行改进、优化，使之更安全、易操作。在拓展部分，通过让学生动手实践，观察色素溶液对光的吸收特点及荧光现象，手脑并用，激发了学生的学习兴趣，提高了实验效果。

关键词 中学生物学 色素的提取和分离 实验改进

生物实验是生物学教学中极其重要的教学内容，其教学方法、教学手段和教学形式也是展现生物学魅力和激发学生学习兴趣的关键。生物学的发展离不开实验，生物学教学也离不开实验。实验教学既是生物学课程的特点，也是学生达成学科核心素养的重要支撑。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称为新课标）更是提出了“教学过程重实践”这一课程理念[1]，对实验教学的开展起到了重要的目标指引作用。但是在教学实践中，仍然存在一些亟待解决的问题，如学生实验探究能力明显不足等问题。因此，探索和尝试实验教学改进的一些策略和办法，既是新课标的要求，也是实驗教学改革的方向和迫切需要。“绿叶中色素的提取和分离”实验的改进和拓展就是笔者在教材原实验的基础上，优化改进实验环节，适度拓展延伸实验设计，融入探究性实验，以挖掘潜在的教育价值、提高实验教学质量为目的所进行的探索和尝试的成果。

实验教学是生物学教学的重要组成部分，是培养学生核心素养的重要途径，其价值取向是：学生好上手、易操作、失误少、兴趣浓、效果好。“绿叶中色素的提取和分离”实验能否做得成功，关键在于要处理好以下三个环节：①提取的色素应量多且不变性;②画出的滤液细线应浓、直、细、匀;③滤液细线不能浸没在层析液中。要想处理好这三个重要环节，需要对教材原有实验的器具、材料、方法和环节进行优化并改进。

一、实验三个关键环节的改进思考与处理

（一）改进实验材料的选择与处理，制备高质量色素提取液

教材实验在实际操作中的不足：①对称取的绿叶剪碎研磨处理的方法耗时长;学生在操作中由于缺乏经验，出现研磨不充分、材料大量溢出的情况;色素易发生去镁（Mg）反应或分解。②研磨时加入的有机溶剂（无水乙醇10 mL）量多，造成色素提取液的质量差，影响实验效果。③各小组实验进度差异大。针对上述不足，笔者在实践中做了如下改进：

1.选材。教材中选用的材料是新鲜的绿叶，笔者经过多年教学实践发现选用菠菜、油菜、上海青的叶片进行色素的提取和分离都能取得良好的实验效果。

2.优化绿叶材料研磨方法，制备高质量的色素提取液。①绿叶材料采用先晾、后打碎的方法。因新鲜绿叶中水分多，先置干燥处晾2小时左右，再用家用榨汁机迅速打碎绿叶组织，将其分成碎屑和汁液两部分。用大一点的塑料勺将碎屑分配至每个研钵中两平勺，再倒入汁液1 mL，备用。②加药品。向盛有碎屑和汁液的研钵中迅速加入少许二氧化硅、碳酸钙和2 mL无水乙醇。③研磨。研磨的要领是用力旋压，迅速充分研磨。④过滤。将研磨好的研磨液倒入放有单层尼龙布的玻璃漏斗中过滤，再将滤液收集到试管中，及时用封口膜将试管口封上。

上述环节相关步骤改进的优点：①在使用榨汁机打碎过程中，绿叶器官组织、部分细胞及叶绿体破裂解体，使得研磨过程中的色素分子与有机溶剂大面积接触并很快溶解。由于打成的碎屑小，既方便研磨，也利于与有机溶剂（无水乙醇）的充分接触，使研磨液中色素溶解的量增加。（该操作在学生进实验室前2～3分钟就可完成）②教材实验的研磨要加无水乙醇10 mL;而用榨汁机迅速打碎绿叶再研磨只需加无水乙醇2 mL，就能获得一个小组画滤液细线和探究实验所需色素提取液的用量。③用封口膜将色素滤液试管口封上，透明且密封，便于观察，方便操作。

显然，利用榨汁机先打碎绿叶再研磨，需要绿叶原料、无水乙醇的量较少，能够节约药品，降低成本，减少废液，利于环保，节省的时间还可用于拓展探究实验。

（二）改进实验器具的选择和使用，画出高质量滤液细线

决定色素分离结果的关键是画好滤液细线。

教材实验在实际操作中的不足：画滤液细线常用盖玻片或玻璃毛细管。由于盖玻片本身小、轻、薄、窄、滑，在用手指拿捏盖玻片画滤液细线时，手指会遮挡部分视线，看不清铅笔细线的准确位置，画出的滤液细线“成线”效果比较差，实际操作并不方便。由于玻璃毛细管有易堵易断的缺陷，吸取的滤液不是过多就是过少，画出的细线质量不高，还容易将滤纸划烂，再加上学生操作玻璃毛细管的技术不够纯熟或手抖，造成划线不细、不匀、不直、浓度不一，导致最终分离出的色素带层次不齐，效果差。针对上述不足，笔者作了如下改进：

1.制备滤纸条：把经干燥处理过的滤纸剪成1.5厘米宽的滤纸条（注意宽度不大于1.5厘米），一端剪去两个角使之呈梯形，并在这一端1厘米处用铅笔画一道细的横线[2]，备用。

2.滤液细线画法上的改进。笔者在实践中比较了以下三种方法：①薄塑料片印章法。用薄而硬的、干净的三角形薄塑料片，如衣物标签等，将平而直的一边两侧稍稍磨毛（利于吸附色素）。先将一块载玻片笔直地固定在铅笔细线一侧，再用薄塑料片蘸取色素研磨液少许轻轻印在滤纸条的细线处，待晾干后重复几次。②钢笔划线法[3];③用很薄的钢质垫圈碾印（滚动）法。实验结果表明，薄塑料片印章法最能体现出学生好上手、易操作、失误少、兴趣浓、效果好的实验取向，画出的滤液细线：浓、细、匀、直，材料易得，简便易行，效果好。

（三）改进实验器具，分离出高质量色素

教材实验的分离色素是通过使用试管或者小烧杯加入层析液来操作的，在实际操作中存在以下不足：①试管长且口小，滤纸条长度不够，尤其是层析液加入量不容易掌握，易发生滤液细线浸没在层析液中或滤纸条贴壁，导致层析结果受到影响;②用小烧杯操作的，需倒入10 mL左右层析液，层析液用量大，烧杯口径较宽，层析液易挥发;③将滤纸条挂在烧杯壁上，存在软化后滑落或贴壁的情况。针对上述不足，笔者作了以下改进：

1.改进目标。用改进的器具进行纸层析法分离色素，可以做到滤液细线“不会”浸没在层析液中。

2.对层析装置的改进。采用规格为15 mL刻度离心管替代试管或小烧杯，加入2.5 mL层析液后，用PE保鲜膜（特耐撕切、易抽拉）快速封口。在用纸层析法分离色素时，先用刀片轻轻在离心管口的PE膜中央划开一道细口[4]，将滤液细线已晾干的滤纸条梯形端向下，从刀片划开的细口处竖直插入刻度离心管中。由于15 mL规格离心管的底部狭细，恰好能卡住滤纸条的梯形端，既能使梯形端部分接触层析液，又不用担心会浸没滤液细线;离心管有刻度，能很好控制层析液加入的量;用封口膜密封管口，既能防止层析液挥发，又能避免滤纸条贴壁。改进后真正做到了滤液细线不会浸没在层析液中，学生好上手、易操作、失误少。

观察实验结果：滤纸条显现出四条色素带，清晰、整齐。可见，以上经改进的实验，符合课标对学生实验操作所要求的规范性、准确性，达到了较好的实验效果。

二、实验拓展和探究设计

（一）在改进实验的基础上拓展探究性实验的意义

科学探究是新课标的重要理念之一。本文第一部分的各实验环节都是典型的验证性实验。而验证性实验有其局限性：首先，实验目的明确，框架、内容已经确定，操作过程要按即定步骤、过程严格执行，指向性清晰，实验结束后找到与结论相吻合的事实证据即可，导致学生的认知活动是仅仅从抽象到具体，思维活动的主要方式是演绎思维，思维活动相对聚合，不利于学生发散思维的培养。其次，在验证性实验中教师是实验活动的主导者，学生的积极性、主动性、创造性不能得到充分发挥，而且教师主要根据学生掌握操作要领的程度和实验结果的对错来进行评价，是重结论、轻过程的单一评价方式，缺乏发展性评价，不利于学生学科核心素养的提升。教师应在新课标的引领下，在优化改进教材实验的基础上融入探究性实验设计，以问题为核心、为导向，始于问题，推进问题，回归于问题，以实验为载体，充分挖掘知识本身所蕴藏的教育价值，引导学生运用已有的知识和技能，通过探究实验活动来发现问题、探究问题和解决问题，實现过程体验和实验结果的并重，锻炼意志品质和探索精神，提高自主学习能力和科学思维品质，提升学科核心素养。

（二）实验拓展与探究设计的基础与设想

1.基础与目的。探究性实验的设计需要在前期优化改进实验的基础上进行。改进后使用榨汁机迅速充分打碎绿叶再研磨具备以下优点：除制备出高质量色素提取液外，还能节省部分时间用来画滤液细线;剩余色素提取液还可用来探究叶绿体色素对光的吸收利用特点和叶绿体色素溶液的透光、荧光现象。以上优点为实验的拓展与探究设计奠定了基础。在此基础上，笔者依据新课标，对教材实验进行了适度的拓展和延伸，指导学生开展基于问题的自主探究性实验设计，使学生通过体验探究活动提升实验设计能力，养成求实和质疑的科学态度，使学生的思维在实验的拓展与探究中得到多维度的训练，动手操作能力得到提升。

2.基本思路：学生提出探究问题，尝试做出假设或猜想，小组讨论设计方案，通过设计实验解决提出的问题。

3.分组探究实验：①探究叶绿体色素溶液的光谱吸收特点;②探究在光的不同方向下（透射光侧、反射光侧）叶绿体色素溶液颜色及变化原因。

（三）分组探究实验①

提出问题：探究色素对不同波长光的吸收情况（探究叶绿体色素溶液的光谱吸收特点）

1.实验材料用具及设计：剩余色素提取液、无水乙醇、试管、手机手电筒、蓝紫光手电筒、红色激光笔、绿色激光笔、白纸。用不同颜色的光分别照射无水乙醇和色素提取液，操作时光源对每只试管的照射要从试管上部空管处往下移动至色素提取液（空管处与色素提取液处在同一光源下可形成对照，控制无关变量，减小误差）。观察背景纸上光点的变化，形成对比。

2.具体操作方法和步骤（探究步骤见表1，部分实验操作见图1～3）。

观察，直观感知叶绿体色素吸收光谱。结论：乙醇（酒精）溶液不吸收任何波长的光，叶绿体中的色素对光的吸收具有选择性，叶绿体色素吸收光谱的最强吸收带有两个：一个是红光部分，另一个是蓝紫光部分，而对绿光吸收最少。

（四）分组探究实验②

提出问题：探究在光的不同方向下（透射光侧、反射光侧）叶绿体色素溶液颜色及变化原因。

1.实验设计：将色素提取液放在楼道直射光环境下（光源也可用白炽灯代替），分别进行直射光侧观察和反射光侧观察。色素溶液与人眼同高，在透射光侧观察色素溶液的颜色;改变方向，在反射光侧观察色素溶液颜色有无变化。

2.具体操作方法和步骤（探究步骤见表2）。

原理：叶绿素吸收光量子转变为激发态，激发态的叶绿素分子很不稳定，当它变回到基态时可发射出红光量子，因而产生荧光。叶绿体色素溶液用日光照射时，其反射光呈红色的现象叫荧光现象。

学生通过叶绿素的荧光现象实验的实践、观察和思考，理解了光合作用中光能吸收、能量传递、光化学反应、ATP合成和CO2固定等光能代谢过程;叶绿体吸收光能靠的是叶绿素，在整体植物中，叶绿素所吸收的光能被用于光合作用，因此，看不到荧光现象。

三、反思与启发

（一）成功的关键

笔者认为本实验改进成功的关键主要有四点：①用榨汁机迅速充分打碎绿叶既方便研磨又利于有机溶剂与色素充分接触，使得研磨液中色素溶解量增加，获得高质量的色素提取液，同时节省时间;②确定乙醇等药品的合理用量;③滤液细线画法上的改进;④用改进的器具（覆有封口膜的15 mL刻度离心管）层析分离色素的综合效果就是色素充分释放，层析效果显著。

（二）促进学生发展

1.发挥学生的主体性。在探究实验部分，通过教师积极有效的引导，学生自主探究，非常直观地观察到了色素溶液对白光、红光和蓝紫光的吸收现象;学生通过把色素溶液放在太阳光下并观察色素透光（几乎不吸收绿光）和荧光现象等一系列由易到难、从简至繁、层层深入的科学探究活动，激发了学习与探索的积极性和主动性，自己也真正成为了学习的主体。

2.有助于培养学生的问题意识。在基础实验中融入探究设计可以使学生在解决问题的过程中发现新问题、解决新问题，这样更能增强问题意识。例如，色素提取液在楼道直射光环境下呈现绿色这一现象，因为有探究实验①的铺垫，学生容易理解叶绿体色素基本不吸收绿光，透出的是绿光而呈现绿色;再将色素提取液置于反射光侧，观察到颜色变为血红色，并通过探究实验②的分析找到答案;教师继续追问：叶绿素荧光现象的原理有哪些方面的应用和价值？学生利用网络，了解、掌握了相关知识，例如，叶绿素荧光是反映叶绿体状态和光合作用效率的重要参数，是研究光合作用的无损伤探针，并被广泛应用于植物光合特性、农业林业育种、病虫害监测、除草剂检测、长势和产量评估、植物抗逆性易感性等方面的研究。探究的过程从问题的提出到问题的解决，不仅使学生的知识得到了深化，而且使学生受到了科学思想和科学方法的教育，培养了学生的学科核心素养。

3.重视实验过程的合作性。由于探究实验是围绕问题的提出和解决而开展的活动，分组探究实验①②中，不论是背景纸的粘贴、光源的选择与控制，还是光点检测、观察记录，都需要小组通过分工合作、共同努力才能完成，因而，也是培养学生小组合作意识的过程。

4.用多元评价策略调动学生参与探究实验的积极性，多方位培养学生的科学思维和创新能力。探究性实验教学为学生创造了不同于验证性实验的学习氛围，多种可能的实验结果闪耀着科学的魅力;积极活跃的课堂交流、小组合作，能在不经意间碰撞出思维的火花;从方案设计、实验探究到结果分析的全过程，学生自评、互评、小组内评价、小组间互评、交流评价，多样化的评价方式和标准，激发了学生参与探究实践的热情，促进了科学思维和创新能力多维度的发展。

（三）促进教师发展

实验改进与探究设计过程对教师也有重要的自我启发作用。如白光手电筒就是用手机的手电筒光源前临时粘上激光笔的小帽制作的。教师自己既要善于动脑，还要勤于动手，既要重视实验创新，还要考虑该实验的可操作性和实验效果，只有设计出效果更显著、现象更易于观察的实验才能激发兴趣、引发思考，这样实验的改进才会更有意义。在基础实验中融入探究性设计，从构思设想、探索尝试到最终顺利开展，需要教师的精心设计和谋划。作为指导者的教师既要了解学生现有的实验基础，还要考虑实验时间是否够用、实验器材和药品条件能否满足。当然，最重要的是实验教师理念新、思维活、会“挖矿”，始终把准教材基础实验中科学思维的“矿脉”走向，使学生在实验的“巷道”中既能收获“矿品”还能发现“金子”。

新课改已经推进，教师只有紧跟新课改的步伐，更新教学理念，不断地学习、研究、总结和反思，努力提升学科核心素养和思维品质，才能成为培养学生科学思维、科学品质的优秀引路人。回顾生物科学的发展史，可以说，正是这些思路不同、设计不同、手段不同的生物学实验推动了生物科学的发展，生物实验教学是培养学生实验能力和落实新课标的重要途径之一。总之，改进、创新永无止境，期待我们能在交流中不断提高和完善。

[参 考 文 献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书 生物1 必修：分子与细胞[M].2版.北京：人民教育出版社，2011：97-98.

[3]曹丽.人教版教材的几个实验材料的改进[J].中学生物学，2010（8）：38.

[4]黄若梅.绿叶中色素的提取与分离实验材料及过程改进[J].中学生物教学，2020（3）：74-75.

（責任编辑：赵晓梅）