光合色素提取和分離實驗的三個創新點

江蘇 何金華 李明凱

(作者單位：江蘇省濱海中學；濱海縣東元中學)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》指出，學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。通過生物學課程的學習，學生能夠達成和深化科學思維、科學探究的能力，滲透和形成生命觀念、社會責任，為終身發展、終身學習打下堅實的認識和實踐基礎。

本節課是人教版必修1第5章第4節的實驗內容。學生在進行本實驗的改進和創新前，已經學習了葉綠體的結構和功能，并初步掌握了實驗操作的基本技能和基本方法。因此，根據學情和教材分析，筆者制訂了學科核心素養下的實驗教學目標。第一，生命觀念：通過對提取的色素進行化學性質分析，深化結構與功能觀、物質與能量觀等基本生命觀念(教學重點)；第二，科學思維：能運用歸納與概括等方法，分析文獻資料，發展批判性思維、逆向思維(教學重點)；第三，科學探究：能通過對色素提取和分離實驗的改進、創新，提高科學探究能力和小組合作、交流能力(教學重難點)；第四，社會責任：通過設計封閉式分離裝置和反思，滲透環保意識、健康認識和社會責任感。在四個學科核心素養中，科學思維和科學探究的內容也是本節課教學的重點。

圍繞教學目標，筆者和同學們一起提出了本實驗的三個探究性的問題：第一，色素提取還有哪些方法，提取效果如何？第二，實驗裝置能否進一步優化？第三，酸對葉綠素的影響如何？液泡pH怎么估算？為此，筆者和同學們對實驗進行了三個方面的改進和創新。

一、創新實驗方案：利用酶解法進行光合色素提取

提取光合色素的方法較多，常見的是教材中給出的研磨法，除了研磨法之外，還有水浴提取法、超聲波法等，水浴提取法也屬于常規實驗操作，創新性較小，超聲波法由于實驗器材價格問題，大多數學校不能開展。因此，與學生討論后，筆者決定采用酶解法提取色素，該方法在高中生物學光合色素的提取實驗中很少采用，具有較強的創新性。

纖維素酶和果膠酶可以破壞細胞壁，理論上可以提高色素的提取量。提取率越高，則提取液顏色越深、對應光譜的吸光度值越大。

根據實驗原理，可通過測定光合色素的吸光度，設計實驗比較研缽-乙醇法、研磨器-乙醇法、酶解-乙醇法的提取效果。

實驗器材主要包括：試管，燒杯，研缽，研磨器，纖維素酶和果膠酶(圖1)，移液槍(圖2)，PASCO無線傳感器及配套軟件(圖3和圖4)。

圖1

圖2

圖3

圖4

實驗操作環節需要同學們合作探究。首先將同學們分為三組，分別進行研缽-乙醇法、研磨器-乙醇法、酶解-乙醇法實驗操作。第二步，對三組實驗提取的光合色素進行吸光度測定。第三步，數據處理，分析吸光度值。

實驗結果如圖5所示。根據高中生一般的認知可以得到很明顯的相關結論，即酶解-乙醇法明顯優于其他兩組實驗。為進一步激發學生的求知欲，筆者在此時引入單因素分析和多因素分析，介紹統計學P值概念。數據處理時，教師展示三組實驗的P值，均小于0.05，屬于顯著性差異。作為初步接觸的知識，不必過于弄清原理，而是要拓展學生們的認知范圍，引導其了解到數據處理環節更為廣闊的精彩世界，能達成激發興趣、開拓視野的目的即可。吸光度分析：纖維素酶和果膠酶可以破壞細胞壁，增加色素的提取量，光譜的吸光度值大。誤差分析：綠光吸光度在酶解-乙醇法和研缽-乙醇法兩組實驗中吸光度均最低，但是在研磨器-乙醇法中高于紅光和藍紫光，學生小組分析猜測可能是研磨器研磨導致不同種類光合色素的含量有差異，即研磨器可能對色素含量的影響大。

圖5

第二部分的數據處理是基于學生提出的“酶解-乙醇法中不同處理時間對色素提取的影響”課題進行的。同理，三個小組繼續進行實驗，在不同的時間測定吸光度，實驗結果如圖6。從實驗結果看，20分鐘的處理時間效果最好。原因分析：酶解時間到20分鐘效果最好，超過20分鐘，色素逐漸被降解，30分鐘時達到相對低值，后續變化不大。

圖6

實驗教學反思與評價：色素提取方法的改變可以視為本實驗最大的創新，數據分析從統計學角度進一步展開，可以激發學生學習興趣、拓展學生視野，教學效果顯著。但是實驗中也需要事先完善實驗方案，控制單一變量，同時教師也應該給予一定的儀器操作、數據分析幫助。

二、改進實驗方案：利用封閉式色素分離裝置實現綠色環保實驗

原教材實驗強調要避免吸收過多的層析液中的揮發性物質，且要求在通風條件下進行，實驗結束后要用肥皂洗手。揮發性的有毒物質會通過擴散危害人體健康，但是教材對層析液如何回收沒有具體說明，這就給同學們留下了繼續探究的空間。

針對上述問題，筆者引導同學們思考有哪些容易獲取、價格低廉的實驗材料可以用于實驗中揮發性物質的吸收和層析液的回收，有同學提出可以利用活性炭吸收揮發性物質、利用針筒回收層析液的建議，這給整個實驗裝置奠定了堅實的基礎。

經過班級各個實驗小組的分析和試錯，構建好的實驗裝置如圖7所示。該實驗裝置的材料包括：活性炭、一次性奶茶杯、針筒等，材料具有簡單易取，成本低等優點。該封閉式色素分離裝置的具體連接方式為奶茶杯頂部用針管和裝有活性炭的針筒相連，用于吸收揮發出的有毒物質，活性炭可以從玩具的碳素包中獲得；底部用注射器，實現層析液的注入和回收，可以較好地控制層析液的量，避免觸及濾液細線；奶茶杯中用夾子夾住濾紙條，可以自由調節高度，一個夾子可以進行多組實驗，提高效率。

圖7

組裝好的裝置需要兩名同學協助同時進行實驗操作。首先，將濾紙條用夾子夾好放進奶茶杯中，調節好高度。第二步，蓋上杯蓋，連接裝有活性炭的針筒。第三步，從底部加入層析液，此過程需要注意控制注射的速度。第四步，待層析結束后，下面的針筒抽回層析液，然后上面的針筒抽吸空氣，吸收揮發出的有毒物質，在打開奶茶杯蓋之前將窗戶打開通風。

實驗教學反思與評價：觀察實驗結果發現層析出的光合色素條帶清晰。該裝置能夠達到相關的設計要求。但實驗過程中需要注意組員之間的緊密配合，注意針尖可能造成的傷害。

三、拓展實驗方案：酸對葉綠素的影響的探究

液泡中的酸性物質可以降解葉綠素，可以通過吸光實驗將其直觀化表達即利用醋酸降解葉綠素，并進行吸光實驗。同時，可以對液泡中的pH進行初步探索。

實驗器材主要包括：移液槍，比色皿，培養皿，試管，電燈，電腦(含軟件)，菠菜光合色素提取液，醋酸。

實驗操作環節需要一個小組的同學合作探究。首先，將菠菜光合色素提取液中加入過量醋酸，目的是完全降解葉綠素，與其他組進行對照實驗。第二步，在預實驗的基礎上，配制pH分別為3、4、5、6的酸性溶液。第三步，將100 μL酸加入1 mL色素提取液中，測定吸光度。

實驗結果如圖8、9、10、11所示。觀察可知，酸降解的組中吸收紅光明顯降低。

圖8 空白試管

圖9 加酸提取液

圖11

依據上一個實驗，正常研磨后(液泡被破壞，內容物釋放)的吸光度在0.1上下波動。本實驗中，pH為6的溶液吸光度明顯高于其他組，最大值吸收紅橙光在0.1左右，且差異顯著，可以初步得到結論：液泡環境pH最接近6，也可以認為，葉綠素耐酸能力介于pH6～7之間，因此需要在實驗過程中添加適量碳酸鈣。誤差分析：pH=6的實驗對藍紫光吸光度低于紅橙光，可能原因是實驗過程中破壞了葉綠素中某些特殊結構，對藍紫光影響大于紅橙光。

實驗教學反思與評價：本部分的實驗內容一是運用吸光實驗將實驗原理直觀化表達，二是創新方法，初步探究了液泡的pH。學生通過此部分實驗的拓展創新可以有效地提高科學探究能力，提升科學思維水平。不足分析：本實驗在課外可以繼續對液泡的pH做進一步分析。

總體來看，本實驗共創新了兩個部分、改進了一個部分：一是首次嘗試使用酶解法提取光合色素，效果明顯優于研磨法；二是創新實驗方法，初步探索了液泡pH及葉綠素的耐酸范圍；三是改進了實驗裝置，設計了封閉式色素分離裝置，較好地實現和踐行了綠色環保理念。實驗過程中，學生參與度高，思維能力和動手能力均得到了鍛煉，可以較好地培養學生的科學思維和科學探究能力，形成正確的生命觀念和社會責任感。因此，本實驗總體具有較高的參考價值和借鑒意義。

生物學是一門實驗性學科，在實驗中不斷發現問題、分析問題、解決問題，不斷滲透生命教育和社會責任教育是提高學生學科核心素養的重要途徑。通過對生物學實驗的反思和批判，培養學生的科學思維和科學探究能力，樹立正確的生命觀念，形成社會責任感。當然，在實驗過程中，教師需要以一種寬容的心態允許學生犯錯，要保護好學生進行生物學實驗的興趣，不斷地激發他們學習生物學課程的積極性，為提升學科核心素養、培養終身發展的理念打下良好的學科基礎。

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