基礎色譜實驗教學一體化改革的實踐與思考
——綠葉色素的分離：紙上色譜、薄層色譜與柱色譜

趙 璐， 柏珊珊， 劉樹仁， 饒桂維， 都韶婷， 馮建躍，2

（1.浙江樹人學院交叉科學研究院化學與生物基礎實驗教學示范中心，杭州 310015；2.浙江大學實驗室與設備處，杭州 310058）

0 引 言

2020 年8 月，“交叉學科”被教育部正式確立為第14 個學科門類，國家自然科學基金委也在傳統的8 個學部之上新設立了交叉科學部。學科間的交叉融合已成為未來科學發展的必然趨勢［1-3］。在這樣的背景下，我校于2020 年6 月成立了交叉科學研究院，旨在推進化學、環境與跨學科研究和化學與生物實驗教學平臺建設。在基礎化學實驗教學領域，也積極嘗試突破傳統的無機化學、有機化學、分析化學和物理化學之間的壁壘，將具有相似原理、相似操作，可以進行類比教學的傳統實驗項目進行融合，以期取得更卓越的教學效果。

色譜技術是最重要的復雜物質分離分析技術，其中紙上色譜、薄層色譜和柱色譜是色譜技術的基礎內容，也是大學基礎化學實驗的重要組成部分。此3 種色譜方法在實驗原理和操作方面存在較大的相似性，但又各具特點而適用于不同的場景。本課程改革嘗試將上述3 種色譜方法融合于同一個綜合性實驗中，并以學生為中心，融入實驗方案設計和思政教學等元素，旨在促進學生更系統掌握這3 種基礎色譜操作方法及各自的特色，提升復雜物質分離分析的技能。

1 基礎色譜實驗課程改革的意義

1.1 單立同質化實驗項目使思維受限且浪費資源

在傳統的基礎化學實驗教學中，紙上色譜、薄層色譜和柱色譜這3 種基礎的色譜實驗操作常被分散于無機、分析和有機化學實驗的不同課程中進行。金建忠等［4］主編《基礎化學實驗》中“紙上色譜—無機離子的分離和鑒定”實驗，其主要目的在于學習紙上色譜操作方法，并通過比移值的計算和不同離子的特殊顯色來鑒定無機離子；唐向陽等［5］主編《基礎化學實驗教程》中的有機制備實驗進行了天然色素的提取及薄層色譜分析；肖玉梅等［6］主編《有機化學實驗》中分為了3 個獨立實驗，即甲基橙和亞甲基藍的柱色譜分離實驗，苯胺和鄰苯二胺的紙上色譜實驗，以及間硝基苯胺和偶氮苯的薄層色譜實驗。將這3 種色譜手段單獨設立實驗分開進行教學，一方面，局限了學生思維，只能了解每種色譜方法的基本原理和操作步驟，而無法理解彼此之間的差異、聯系及互補關系；另一方面，造成教學時間和教學資源的浪費。單獨設立課程需要單獨分配教學時間和實驗資源，導致整體基礎化學實驗教學的時長增加，壓縮了其他實驗或者課程的教學空間；同時，學生需要反復學習相似的概念和操作，也增加了學習的時間成本。

1.2 基礎色譜操作串通教學可激發學生的創新思路

紙上色譜、薄層色譜和柱色譜都是基于物質在流動相和固定相之間的相互作用來實現物質分離。雖然在基本原理、實驗操作和結果分析方面存在一致性，但是這3 種色譜手段也因為彼此的差異而適用于不同的分離分析場景。紙上色譜和薄層色譜適用于小樣品量和快速分析，而柱色譜適用于大樣品量的分離制備以及復雜化合物的分離純化。因此，將這3 種色譜操作串通教學更易讓學生認識到這3 種色譜方法的差異，有助于理解它們之間的聯系和相互補充的關系，促使學生學習如何根據樣品的性質和分離的目的選擇合適的色譜方法，激發學生思考，學會如何在不同的實際問題中綜合應用這些色譜方法來解決復雜的物質分離問題。開設綜合色譜實驗可以幫助學生全面理解基礎色譜技術，并培養他們的實驗技能、問題解決能力和實際應用能力。

2 實驗內容設計

2.1 設計思路

根據布魯姆教學目標分類，在認知領域，教育目標分為知識、領會、運用、分析、綜合、評價六類。其中知識、領會和運用是較低級的認知目標，分析、綜合和評價為高層次的認知目標［7-8］。本實驗的教學目標在于全方位培養學生的知識、能力和素質。在知識方面，能讓學生掌握紙上色譜、薄層色譜和柱色譜的基本實驗手段，能夠進行規范的色譜操作，并準確計算比移值；在能力方面，能讓學生根據比移值評價色譜方法的優劣，設計實驗方案，得出科學的結論，并比較不同色譜方法的適用性；在素質培養方面，能讓學生建立分離科學基本的實驗體系，形成復雜物質分離分析的整體實驗思路，培養科學思維，樹立環保意識，養成良好的實驗習慣。為了實現這一培養目標，我們對實驗內容進行了重新設計。

2.2 實驗框架與流程

本實驗通過對綠葉色素進行分離分析進行紙上色譜、薄層色譜與柱色譜3 種色譜方法的教學，具體的實驗內容和框架流程見圖1。

圖1 實驗內容和框架流程

課程開展前，學生通過講義以及線上平臺進行自主預習。學生們在完成預習測驗的基礎上，選擇探索課題進行分組，閱讀教師提供的參考文獻［9-14］或通過自行資料查找后進行方案設計并在課前提交設計方案。在課堂上，教師首先進行預習測驗的講解，鞏固基礎知識。在此基礎上對驗證實驗操作注意事項和操作細節進行強調演示，并引導同學們對實驗設計方案開展討論，在充分可行的基礎上分組開展實驗。

2.3 實驗內容

（1）使用乙酸乙酯提取菠菜葉中的綠葉色素（見圖2）。綠色植物中富含葉綠素、葉黃素和胡蘿卜素等植物色素，這些植物色素可以通過簡單的有機溶劑萃取即可獲得，并且它們具有明顯的顏色差異。例如，葉綠素a（C55H72O5N4Mg）為藍綠色，葉綠素b（C55H70

圖2 菠菜色素的提取、紙上色譜、薄層色譜及柱色譜分離過程

O6N4Mg）為黃綠色，胡蘿卜素（C40H56）為橙黃色，是具有長鏈結構的共軛多烯；葉黃素（C40H56O2）為黃色，是胡蘿卜素的羥基衍生物，又稱為類胡蘿卜素。通過觀查它們的顏色差異，即可實現有效的分辨。豐富多彩的顏色變化也在一定程度上增強了實驗的趣味性。

（2）通過驗證性實驗保證學生掌握紙上色譜、薄層色譜和柱色譜的基本操作手段以及結果分析方法。紙上色譜以定性濾紙為固定相，石油醚為流動相，在試管中展開分離，記錄展開劑前沿，觀察分離結果；薄層色譜以商業化的硅膠薄層板為固定相，6∶4的石油醚和丙酮（體積分數）為流動相，在層析杠中展開分離，記錄展開劑前沿，觀察分離結果，計算比移值；柱色譜以150 ～160 目的中性氧化鋁為固定相，分別用9∶1的石油醚和丙酮（體積分數）以及4∶1的乙醇和水（體積分數）為洗脫劑進行洗脫，觀察洗脫效果。

（3）固定相以及流動相是色譜分離過程中最重要的影響因素，本實驗設計了探究選題。將學生分組進行不同選題的探究，主要選題包括：

①研究紙上色譜中不同的展開劑種類對于菠菜色素分離的影響。在紙上色譜展開劑的探究過程中，重點引導學生比較不同的展開劑種類對于菠菜色素的分離效果的影響。在紙上色譜中，最常用的展開劑種類包括石油醚、四氯化碳、丙酮等，不同的溶劑在極性方面有較大的差異，通過不同的展開劑的分離能力讓學生切實體會展開劑極性在色素分離過程中的影響。

②研究薄層色譜中不同的展開劑組成對于菠菜色素分離的影響。在薄層色譜的探究過程中，重點引導學生比較相同的展開劑在不同的組成比例條件下的分離效果，以石油醚和丙酮為展開劑，設置不同的組成比，通過對分離結果的觀察，從而了解石油醚和丙酮在綠葉色素在薄層色譜分離過程中所起到的不同作用。

③研究柱色譜中不同的固定相對于菠菜色素分離的影響。在柱色譜分離過程中，最常用的固定相包括硅膠、中性氧化鋁、樹脂、氟羅里硅土、C18 等，然而在色素的柱色譜分離過程中最常用的為硅膠和中性氧化鋁，引導學生通過查閱文獻，確定不同的固定相以及洗脫劑，觀察不同固定相對于綠葉色素的分離效果。

④進行小組匯報和討論。在探究選題充分開展實驗、得出設計性實驗的結果后，進行匯報交流和討論，得出明確的實驗結論。在課后通過線上平臺分享各組的實驗結果，并完成實驗報告的提交和反饋。

通過這種探究式的學習方法，學生將有機會自主選擇研究課題，并進行實際的實驗設計和操作。這將培養他們的科研能力、實驗設計能力和團隊合作能力，并使他們更深入地理解不同展開劑和固定相在色譜分離中的作用。在實驗過程中充分發揮自主能動性，積極投入到實驗課程中。

3 實驗教學方法

3.1 開展線上線下混合式教學

采用混合式教學方法［15］，通過微信學習群和學習通線上平臺，分享實驗基本原理、實驗內容、操作視頻、參考文獻等學習資料。學生在課前展開充分的自主學習，掌握基礎知識點，進行自我測評。在此基礎上，選擇探索性實驗課題，組成實驗小組，通過對提供的文獻進行研究并設計實驗方案。在課堂上著重于操作能力的鍛煉和設計實驗的開展和驗證。線上平臺讓師生之間的溝通更為便利，也讓寶貴的課堂時間得以充分利用，提高課堂效率。

3.2 調動學生學習參與度

以學生為中心，開展教學活動，包括課前的預習自學、分組，對研究課題進行深入探索。課程中，學生在實際操作和分析過程中將面臨各種挑戰和問題，通過自主學習和團隊合作解決問題，學生能夠培養批判性思維和創造性思維，并將所學知識應用到實際情境中。隨后的小組方案設計匯報等多樣性的教學活動內容也將激發他們的學習興趣和動力，老師的引導和支持也為學生提供必要的指導和反饋。

3.3 注重過程性評價

從多維度來評價學生的實驗課程學習效果，包括出勤、操作規范、課堂表現、實驗預習以及實驗報告的撰寫。通過多元化的評價流程來對學習效果進行綜合評價，便于了解學生的知識掌握情況以及能力培養的達成情況。實驗成績及時反饋，讓學生及時了解自己的學習效果，查漏補缺，強化不足。

4 課程思政

課程思政是高等教育改革的重要內容之一。教育部明確指出要結合專業特點分類推進課程思政，讓每一門專業課程都能夠發揮好思政育人的作用［16-17］。本實驗課程也充分引入思政元素，強化育人作用。

（1）將屠呦呦與青蒿素的故事引入課程，讓同學們更好理解天然物質提取的意義和實際應用。屠呦呦和她的團隊經過多年研究，成功從中草藥青蒿中提取分離出了青蒿素，為治療瘧疾做出重要貢獻，并于2015 年獲得我國本土科學家在自然科學領域的第一個諾貝爾獎。青蒿素的提取分離與本門課程密切相關，作為課程導言導入課程主題，能夠迅速集中學生的注意力，體會科學魅力和價值，培養學生對本土科學家的認同和敬意，厚植愛國熱情［18］。

（2）將我國色譜領域的奠基人盧佩章院士的故事引入本課程。盧佩章院士是杭州人，本校地處杭州，學院也珍藏有盧佩章院士簽名的《難忘的歲月》實物書籍，該書記錄了老一輩科學家在艱苦的實驗條件下仍然努力工作，克服一個個難題的故事，充分體現了老一輩科學家的奮斗精神。在本實驗討論中引入杭州人士盧佩章院士的故事，能夠增強同學們的自豪感和自信心，激發科學熱情和責任擔當，啟發他們在學習中追求卓越、勇往直前。

（3）實驗過程中使用的有機溶劑以及手套等耗材。通過對有機溶劑的回收集中處理，倡導珍惜使用耗材，樹立學生的安全環保意識。此外，課程內容還涉及實驗方案設計和探索。在此過程中，教師鼓勵學生合作、相互支持，共同完成完整的實驗報告，幫助學生切實體會科研精神和團結精神。

5 結 語

本實驗的改革重點在融合相似性實驗內容，引入探究課題和思政元素，實現知識、能力和素養全方位、多層次的人才培養目標。經實踐后，學生參與實驗的熱情有了明顯的提高，能夠在課前積極主動的完成實驗預習，積極參與方案設計，并在課堂主動提問和分享實驗成果。學生們普遍表示他們更喜歡探究式學習的方式，小組合作匯報增進了交流，提高了團隊合作能力，也對科學探究產生了濃厚的興趣，這一點也從學生們對于各類學科競賽的參賽熱情上得到了很好的印證。2021 ～2022 年，班內學生獲“中國國際互聯網+創新創業競賽”銀獎1 項目，“全國大學生生命科學競賽”二等獎2 項，三等獎2 項，“浙江省大學生化學競賽”一等獎2 項，二等獎2 項等多項學科競賽獎項，參與發表多篇SCI 論文。此外，教師團隊對課程改革的效果也給予了積極的評價，他們觀察到學生的學習態度和學習效果的明顯提升，認為改革后的課程設計更具有針對性和實踐性。教師們在課堂教學中獲得更多的滿意反饋和積極互動，教學資源得到更為有效的利用。