探究式學習培養(yǎng)初中生化學核心素養(yǎng)*
——以花瓣色素制取植物酸堿指示劑為例

七林竹瑪，李曼彎，楊艷華**，李艷妮，王穎臻

(1.昆明學院化學化工學院，云南 昆明 650214；2.蒙自市第一高級中學，云南 紅河 661100)

作為學習方式的科學探究活動和過程稱為探究性學習[1]。探究式學習有利于在三維目標上培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)[2]。通過設(shè)計探究式實驗，使學生在已有基礎(chǔ)上主動構(gòu)建知識體系，不僅有利于學生學習能力和方法的培養(yǎng)與訓練[3]，而且還能激發(fā)和滿足學生的好奇心，促使學生主動發(fā)現(xiàn)問題和分析問題[4]，培養(yǎng)學生實驗探究與創(chuàng)新意識的學科核心素養(yǎng)。初中化學課本中，有關(guān)于自制酸堿指示劑的探究活動，主要使用牽牛花、月季花和紫甘藍等植物的花瓣或果實進行探究[5]，在實際教學中，教師可充分利用學校的學習環(huán)境，發(fā)掘日常生活和生產(chǎn)中的學習素材，編制學生實驗和科學探究活動[6]，提供多樣化的中學化學實驗教學內(nèi)容。本文通過提取昆明學院洋浦校區(qū)綠化種植的格桑花、黃槐和三角梅等植物的花瓣色素，探究其作為酸堿指示劑的可能性，不僅可以為后續(xù)教育實習和實驗教學的開展提供素材，而且也可以通過探究式學習進一步培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)。

1 材料與方法

1.1 藥品與試劑

粉色、白色格桑花采集于本校洋浦校區(qū)博識樓明德路旁，三角梅和黃槐花采集于聽心湖畔立德路旁，如圖1所示。乙醇(95%)、氨水(25%～28%)、氫氧化鈉(97%)、鹽酸(37%)和冰醋酸，均為分析純，購自上海麥克林生化科技有限公司。蒸餾水為實驗室自制。

(a)粉色格桑花；(b)白色格桑花；(c)黃槐和；(d)三角梅。

1.2 儀器

精宏電熱恒溫鼓風干燥箱、燒杯、膠頭滴管、玻璃棒、托盤天平(帶砝碼)、研缽、樣品瓶、量筒。

1.3 實驗方法

1.3.1 提取花瓣色素

采集所需的4種新鮮植物花瓣，蒸餾水洗凈表面塵灰后烘干。稱取 3.0 g 烘干后的花瓣于研缽中搗碎，再加入10 mL乙醇研磨5 min，靜置30 min后，取上層清液，記錄不同植物提取液的顏色，并進行編號，如圖2所示。

圖2 4種色素提取液及顏色

1.3.2 植物酸堿指示劑可行性測試

以裝有20滴HCl溶液(pH=2)和20滴NaOH溶液(pH=12)的兩個樣品瓶為一組，進行分組實驗。向每組實驗樣品中滴加6滴植物提取液，觀察其顏色變化，并與原顏色對比，記錄變色色差程度。所有植物色素提取液均按照上述步驟進行處理，根據(jù)色素提取液變色色差程度，挑選可行性較好的幾種提取液，進一步探究。

1.3.3 具體探究

用初始濃度均為 1 mol/L 的NaOH、NH3·H2O、CH3COOH、HCl、H2O配制pH值分別為1～14、溶液體積為 20.0 mL 的系列溶液[7]，配制方法如圖表1所示。配制完成后，各取 5 mL 放置于編號為1～14個樣品瓶中，向樣品瓶各滴3滴經(jīng)可行性測試挑選出的色素提取液。觀察色素提取液在酸性溶液和堿性溶液中的顏色變化，判斷相應植物是否可以用來制作酸堿指示劑。

表1 pH值為1～14的溶液配制方法

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

2.1.1 植物酸堿指示劑可行性測試

植物酸堿指示劑可行性測試結(jié)果如表2所示。實驗結(jié)果顯示，植物色素在酸性溶液和堿性溶液中會顯現(xiàn)不同的顏色。其中，粉色格桑花的粉紅色提取液(編號①)在酸性溶液中表現(xiàn)為紅色、堿性溶液表現(xiàn)為綠色，如圖3所示。三角梅的紫色提取液(編號④)在酸性溶液表現(xiàn)為紫色、堿性溶液表現(xiàn)為綠色。兩種色素提取液本身的顏色與在酸堿溶液中的顏色色差比較明顯，相較之下更符合酸堿指示劑的要求。因此，選擇編號①④素色提取液在不同pH溶液中的顯色情況進行具體探究。

表2 色素提取液在酸性和堿性溶液中的顯色情況

圖3 不同色素提取液在酸堿溶液中的顯色情況

2.1.2 具體實驗

在編號①和④的色素提取液中，分別滴加3滴pH不同的溶液，搖勻，使色素提取液與酸堿溶液充分混合，靜置 30 s，觀察顯色情況，實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 粉色格桑花提取液(編號①)在pH值從1～14的溶液中的顯色情況

圖5 三角梅提取液(編號④)在pH值從1～14的溶液中的顯色情況

由圖4可知，粉色格桑花色素提取液在pH值為1～14的溶液內(nèi)變色明顯，變色范圍大約為pH為1～2(玫紅色)、3～6(粉紅色)、7(粉紅色)、8～9(黃綠色)及10～14(黃色)間，顏色變化較為明顯。同時，變色范圍也較窄，在不同pH值的溶液下可以起到很好的酸堿指示效果，因此，可用作酸堿兩性指示劑。

由圖5可知，紫色三角梅色素提取液在pH值為1～7的溶液中顯紫色，顏色隨酸性減弱而變淺，但沒有明顯的變色范圍；在pH為8～9的溶液中顯黃綠色，而在pH值為9～14的溶液中顯黃色。紫色三角梅色素提取液在酸堿溶液中顏色突變明顯，可以很好的指示酸性溶液和堿性溶液，但變色范圍較寬，無法精細指示不同pH的溶液，因此，可用作廣泛的堿性指示劑。

2.1.3 說明

可行性測試中取6滴植物提取液滴定鹽酸和氫氧化鈉，具體實驗則取3滴提取液加入到 5 mL 不同pH的溶液中，可行性測試所加的植物提取液含量較多，因此顏色變化較深。粉色格桑花提取液(編號①)、紫色三角梅提取液(編號④)在可行性測試中顯綠色和黃綠色，而在具體實驗中則表現(xiàn)為黃色。

2.2 實驗分析

2.2.1 實驗可行性分析

酸堿指示劑的發(fā)現(xiàn)是科學家善于觀察，勤于思考，勇于探索的結(jié)果。300多年前，英國科學家波義耳誤將鹽酸灑在紫羅蘭花瓣上發(fā)現(xiàn)顏色發(fā)生變化，從這一細節(jié)出發(fā)經(jīng)過不斷探究最終發(fā)現(xiàn)了指示劑原理。今天，我們所使用的石蕊、酚酞、pH試紙，就是根據(jù)波義耳的發(fā)現(xiàn)原理研制而成的。其本質(zhì)就是一類結(jié)構(gòu)較為復雜的有機弱酸或有機弱堿，它們在溶液中能部分電離出指示劑離子和H+(或OH-)。由于結(jié)構(gòu)上的變化，它們的分子和離子具有不同的顏色，在不同的pH中呈現(xiàn)的顏色不同，因此可以指示酸堿性。以石蕊為例，石蕊是一種藍紫色粉末，可從地衣類植物中提取得到，溶于水后顯紫色，是一種有機弱酸。石蕊(主要成分用HIn表示)在水溶液中能發(fā)生如下電離：

在酸性溶液中，石蕊主要以分子形式存在，溶液顯紅色；在堿性溶液中，OH-與H+結(jié)合，促使電離平衡正向移動，In-濃度增大，成為溶液中主要存在形式，溶液顯藍色。中性溶液中，紅色分子與藍色離子共存，且含量相當，又因為紅色與藍色混合顯紫色，故溶液呈紫色。進而有了我們現(xiàn)在總結(jié)的石蕊變色范圍：當pH小于5.0時，顯紅色；當pH大于8.0時，顯藍色[8]。

許多植物的花果莖葉中有都含有色素，這些色素在酸性溶液或堿性溶液中顯示不同的顏色，因此可以用來制作酸堿指示劑。在可行性測試中，可以看出，植物提取液在酸性條件(或堿性條件)都一定程度的發(fā)生了顏色的改變，只是有些不太明顯，不利于觀察。例如，黃槐花瓣提取液本身是黃色，在堿性溶液中顏色加深變?yōu)樯铧S色，這與它本身顏色相近，不適合用來制作酸堿指示劑。粉色格桑花和紫色三角梅相較就更符合酸堿指示劑的要求。

2.2.2 實驗結(jié)果分析

色素提取液在不同pH值的溶液中都有一定的變色范圍，其大致規(guī)律為：

酸性 中性 堿性

(紅色，紫色) (綠色，黃色)

原因：花色素是一類重要的水溶性植物色素，屬于類黃酮，其基本結(jié)構(gòu)由一個吡喃酮和兩個苯環(huán)組成，如圖6所示。其與酸反應，生成穩(wěn)定的鹽而顯紅色；在堿存在的情況下，取代吡喃酮右邊的苯環(huán)的R4部分生成醌型結(jié)構(gòu)，顏色顯藍。花色素在堿性條件下不穩(wěn)定，容易變色，有些不會變藍，反而顯黃色或綠色，這可能是植物體中除含有花色素外，還含有其他黃酮類物質(zhì)(酸性無色、堿性呈黃色)，在堿性條件下顯綠色，這是花色素的藍色和黃酮類的黃色混合后的結(jié)果[9]。

(a)類黃酮結(jié)構(gòu)、(b)醌型結(jié)構(gòu)(取代基R1和R2為H、OH或OCH3,R3為H或糖基，R4為OH或糖基)

3 結(jié)論

以花瓣色素制取植物酸堿指示劑實驗中，提取的粉色格桑花色素及紫色三角梅色素在酸性、堿性溶液中變色明顯且易于觀察，可用于制作酸堿指示劑。通過這一結(jié)論，表明探究植物提取液制作酸堿指示劑的實驗設(shè)計在教學實踐是可行的，它具有原料易得、操作簡單、安全不污染環(huán)境、培養(yǎng)學生實驗探究與創(chuàng)新意識等優(yōu)點。

探究學習能夠激發(fā)學習的化學學習興趣，是創(chuàng)設(shè)生動活潑的的化學教學情境的重要形式，是轉(zhuǎn)變學生學習方式和發(fā)展實驗探究能力的重要途徑，是落實情感態(tài)度與價值觀目標的重要手段。教師用學校中的植物帶領(lǐng)學生進行自制植物酸堿指示實驗，不僅能培養(yǎng)學生的實驗探究和創(chuàng)新意識的科學素養(yǎng)，還能將化學學習與實際生活密切聯(lián)系，增加學生學習化學的興趣。