陳能訓(xùn)

摘 要 依據(jù)實驗原理，使用榨汁機打碎綠葉再研磨，改進濾液細線畫法，使用15 mL刻度離心管替代試管或小燒杯等，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)對“綠葉中色素的提取和分離”實驗進行改進、優(yōu)化，使之更安全、易操作。在拓展部分，通過讓學(xué)生動手實踐，觀察色素溶液對光的吸收特點及熒光現(xiàn)象，手腦并用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了實驗效果。

關(guān)鍵詞 中學(xué)生物學(xué) 色素的提取和分離 實驗改進

生物實驗是生物學(xué)教學(xué)中極其重要的教學(xué)內(nèi)容，其教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)形式也是展現(xiàn)生物學(xué)魅力和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵。生物學(xué)的發(fā)展離不開實驗，生物學(xué)教學(xué)也離不開實驗。實驗教學(xué)既是生物學(xué)課程的特點，也是學(xué)生達成學(xué)科核心素養(yǎng)的重要支撐。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱為新課標(biāo)）更是提出了“教學(xué)過程重實踐”這一課程理念[1]，對實驗教學(xué)的開展起到了重要的目標(biāo)指引作用。但是在教學(xué)實踐中，仍然存在一些亟待解決的問題，如學(xué)生實驗探究能力明顯不足等問題。因此，探索和嘗試實驗教學(xué)改進的一些策略和辦法，既是新課標(biāo)的要求，也是實驗教學(xué)改革的方向和迫切需要?！熬G葉中色素的提取和分離”實驗的改進和拓展就是筆者在教材原實驗的基礎(chǔ)上，優(yōu)化改進實驗環(huán)節(jié)，適度拓展延伸實驗設(shè)計，融入探究性實驗，以挖掘潛在的教育價值、提高實驗教學(xué)質(zhì)量為目的所進行的探索和嘗試的成果。

實驗教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑，其價值取向是：學(xué)生好上手、易操作、失誤少、興趣濃、效果好。“綠葉中色素的提取和分離”實驗?zāi)芊褡龅贸晒?，關(guān)鍵在于要處理好以下三個環(huán)節(jié)：①提取的色素應(yīng)量多且不變性;②畫出的濾液細線應(yīng)濃、直、細、勻;③濾液細線不能浸沒在層析液中。要想處理好這三個重要環(huán)節(jié)，需要對教材原有實驗的器具、材料、方法和環(huán)節(jié)進行優(yōu)化并改進。

一、實驗三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的改進思考與處理

（一）改進實驗材料的選擇與處理，制備高質(zhì)量色素提取液

教材實驗在實際操作中的不足：①對稱取的綠葉剪碎研磨處理的方法耗時長;學(xué)生在操作中由于缺乏經(jīng)驗，出現(xiàn)研磨不充分、材料大量溢出的情況;色素易發(fā)生去鎂（Mg）反應(yīng)或分解。②研磨時加入的有機溶劑（無水乙醇10 mL）量多，造成色素提取液的質(zhì)量差，影響實驗效果。③各小組實驗進度差異大。針對上述不足，筆者在實踐中做了如下改進：

1.選材。教材中選用的材料是新鮮的綠葉，筆者經(jīng)過多年教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)選用菠菜、油菜、上海青的葉片進行色素的提取和分離都能取得良好的實驗效果。

2.優(yōu)化綠葉材料研磨方法，制備高質(zhì)量的色素提取液。①綠葉材料采用先晾、后打碎的方法。因新鮮綠葉中水分多，先置干燥處晾2小時左右，再用家用榨汁機迅速打碎綠葉組織，將其分成碎屑和汁液兩部分。用大一點的塑料勺將碎屑分配至每個研缽中兩平勺，再倒入汁液1 mL，備用。②加藥品。向盛有碎屑和汁液的研缽中迅速加入少許二氧化硅、碳酸鈣和2 mL無水乙醇。③研磨。研磨的要領(lǐng)是用力旋壓，迅速充分研磨。④過濾。將研磨好的研磨液倒入放有單層尼龍布的玻璃漏斗中過濾，再將濾液收集到試管中，及時用封口膜將試管口封上。

上述環(huán)節(jié)相關(guān)步驟改進的優(yōu)點：①在使用榨汁機打碎過程中，綠葉器官組織、部分細胞及葉綠體破裂解體，使得研磨過程中的色素分子與有機溶劑大面積接觸并很快溶解。由于打成的碎屑小，既方便研磨，也利于與有機溶劑（無水乙醇）的充分接觸，使研磨液中色素溶解的量增加。（該操作在學(xué)生進實驗室前2～3分鐘就可完成）②教材實驗的研磨要加無水乙醇10 mL;而用榨汁機迅速打碎綠葉再研磨只需加無水乙醇2 mL，就能獲得一個小組畫濾液細線和探究實驗所需色素提取液的用量。③用封口膜將色素濾液試管口封上，透明且密封，便于觀察，方便操作。

顯然，利用榨汁機先打碎綠葉再研磨，需要綠葉原料、無水乙醇的量較少，能夠節(jié)約藥品，降低成本，減少廢液，利于環(huán)保，節(jié)省的時間還可用于拓展探究實驗。

（二）改進實驗器具的選擇和使用，畫出高質(zhì)量濾液細線

決定色素分離結(jié)果的關(guān)鍵是畫好濾液細線。

教材實驗在實際操作中的不足：畫濾液細線常用蓋玻片或玻璃毛細管。由于蓋玻片本身小、輕、薄、窄、滑，在用手指拿捏蓋玻片畫濾液細線時，手指會遮擋部分視線，看不清鉛筆細線的準(zhǔn)確位置，畫出的濾液細線“成線”效果比較差，實際操作并不方便。由于玻璃毛細管有易堵易斷的缺陷，吸取的濾液不是過多就是過少，畫出的細線質(zhì)量不高，還容易將濾紙劃爛，再加上學(xué)生操作玻璃毛細管的技術(shù)不夠純熟或手抖，造成劃線不細、不勻、不直、濃度不一，導(dǎo)致最終分離出的色素帶層次不齊，效果差。針對上述不足，筆者作了如下改進：

1.制備濾紙條：把經(jīng)干燥處理過的濾紙剪成1.5厘米寬的濾紙條（注意寬度不大于1.5厘米），一端剪去兩個角使之呈梯形，并在這一端1厘米處用鉛筆畫一道細的橫線[2]，備用。

2.濾液細線畫法上的改進。筆者在實踐中比較了以下三種方法：①薄塑料片印章法。用薄而硬的、干凈的三角形薄塑料片，如衣物標(biāo)簽等，將平而直的一邊兩側(cè)稍稍磨毛（利于吸附色素）。先將一塊載玻片筆直地固定在鉛筆細線一側(cè)，再用薄塑料片蘸取色素研磨液少許輕輕印在濾紙條的細線處，待晾干后重復(fù)幾次。②鋼筆劃線法[3];③用很薄的鋼質(zhì)墊圈碾印（滾動）法。實驗結(jié)果表明，薄塑料片印章法最能體現(xiàn)出學(xué)生好上手、易操作、失誤少、興趣濃、效果好的實驗取向，畫出的濾液細線：濃、細、勻、直，材料易得，簡便易行，效果好。

（三）改進實驗器具，分離出高質(zhì)量色素

教材實驗的分離色素是通過使用試管或者小燒杯加入層析液來操作的，在實際操作中存在以下不足：①試管長且口小，濾紙條長度不夠，尤其是層析液加入量不容易掌握，易發(fā)生濾液細線浸沒在層析液中或濾紙條貼壁，導(dǎo)致層析結(jié)果受到影響;②用小燒杯操作的，需倒入10 mL左右層析液，層析液用量大，燒杯口徑較寬，層析液易揮發(fā);③將濾紙條掛在燒杯壁上，存在軟化后滑落或貼壁的情況。針對上述不足，筆者作了以下改進：

1.改進目標(biāo)。用改進的器具進行紙層析法分離色素，可以做到濾液細線“不會”浸沒在層析液中。

2.對層析裝置的改進。采用規(guī)格為15 mL刻度離心管替代試管或小燒杯，加入2.5 mL層析液后，用PE保鮮膜（特耐撕切、易抽拉）快速封口。在用紙層析法分離色素時，先用刀片輕輕在離心管口的PE膜中央劃開一道細口[4]，將濾液細線已晾干的濾紙條梯形端向下，從刀片劃開的細口處豎直插入刻度離心管中。由于15 mL規(guī)格離心管的底部狹細，恰好能卡住濾紙條的梯形端，既能使梯形端部分接觸層析液，又不用擔(dān)心會浸沒濾液細線;離心管有刻度，能很好控制層析液加入的量;用封口膜密封管口，既能防止層析液揮發(fā)，又能避免濾紙條貼壁。改進后真正做到了濾液細線不會浸沒在層析液中，學(xué)生好上手、易操作、失誤少。

觀察實驗結(jié)果：濾紙條顯現(xiàn)出四條色素帶，清晰、整齊?？梢姡陨辖?jīng)改進的實驗，符合課標(biāo)對學(xué)生實驗操作所要求的規(guī)范性、準(zhǔn)確性，達到了較好的實驗效果。

二、實驗拓展和探究設(shè)計

（一）在改進實驗的基礎(chǔ)上拓展探究性實驗的意義

科學(xué)探究是新課標(biāo)的重要理念之一。本文第一部分的各實驗環(huán)節(jié)都是典型的驗證性實驗。而驗證性實驗有其局限性：首先，實驗?zāi)康拿鞔_，框架、內(nèi)容已經(jīng)確定，操作過程要按即定步驟、過程嚴(yán)格執(zhí)行，指向性清晰，實驗結(jié)束后找到與結(jié)論相吻合的事實證據(jù)即可，導(dǎo)致學(xué)生的認(rèn)知活動是僅僅從抽象到具體，思維活動的主要方式是演繹思維，思維活動相對聚合，不利于學(xué)生發(fā)散思維的培養(yǎng)。其次，在驗證性實驗中教師是實驗活動的主導(dǎo)者，學(xué)生的積極性、主動性、創(chuàng)造性不能得到充分發(fā)揮，而且教師主要根據(jù)學(xué)生掌握操作要領(lǐng)的程度和實驗結(jié)果的對錯來進行評價，是重結(jié)論、輕過程的單一評價方式，缺乏發(fā)展性評價，不利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。教師應(yīng)在新課標(biāo)的引領(lǐng)下，在優(yōu)化改進教材實驗的基礎(chǔ)上融入探究性實驗設(shè)計，以問題為核心、為導(dǎo)向，始于問題，推進問題，回歸于問題，以實驗為載體，充分挖掘知識本身所蘊藏的教育價值，引導(dǎo)學(xué)生運用已有的知識和技能，通過探究實驗活動來發(fā)現(xiàn)問題、探究問題和解決問題，實現(xiàn)過程體驗和實驗結(jié)果的并重，鍛煉意志品質(zhì)和探索精神，提高自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)思維品質(zhì)，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

（二）實驗拓展與探究設(shè)計的基礎(chǔ)與設(shè)想

1.基礎(chǔ)與目的。探究性實驗的設(shè)計需要在前期優(yōu)化改進實驗的基礎(chǔ)上進行。改進后使用榨汁機迅速充分打碎綠葉再研磨具備以下優(yōu)點：除制備出高質(zhì)量色素提取液外，還能節(jié)省部分時間用來畫濾液細線;剩余色素提取液還可用來探究葉綠體色素對光的吸收利用特點和葉綠體色素溶液的透光、熒光現(xiàn)象。以上優(yōu)點為實驗的拓展與探究設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，筆者依據(jù)新課標(biāo)，對教材實驗進行了適度的拓展和延伸，指導(dǎo)學(xué)生開展基于問題的自主探究性實驗設(shè)計，使學(xué)生通過體驗探究活動提升實驗設(shè)計能力，養(yǎng)成求實和質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度，使學(xué)生的思維在實驗的拓展與探究中得到多維度的訓(xùn)練，動手操作能力得到提升。

2.基本思路：學(xué)生提出探究問題，嘗試做出假設(shè)或猜想，小組討論設(shè)計方案，通過設(shè)計實驗解決提出的問題。

3.分組探究實驗：①探究葉綠體色素溶液的光譜吸收特點;②探究在光的不同方向下（透射光側(cè)、反射光側(cè)）葉綠體色素溶液顏色及變化原因。

（三）分組探究實驗①

提出問題：探究色素對不同波長光的吸收情況（探究葉綠體色素溶液的光譜吸收特點）

1.實驗材料用具及設(shè)計：剩余色素提取液、無水乙醇、試管、手機手電筒、藍紫光手電筒、紅色激光筆、綠色激光筆、白紙。用不同顏色的光分別照射無水乙醇和色素提取液，操作時光源對每只試管的照射要從試管上部空管處往下移動至色素提取液（空管處與色素提取液處在同一光源下可形成對照，控制無關(guān)變量，減小誤差）。觀察背景紙上光點的變化，形成對比。

2.具體操作方法和步驟（探究步驟見表1，部分實驗操作見圖1～3）。

觀察，直觀感知葉綠體色素吸收光譜。結(jié)論：乙醇（酒精）溶液不吸收任何波長的光，葉綠體中的色素對光的吸收具有選擇性，葉綠體色素吸收光譜的最強吸收帶有兩個：一個是紅光部分，另一個是藍紫光部分，而對綠光吸收最少。

（四）分組探究實驗②

提出問題：探究在光的不同方向下（透射光側(cè)、反射光側(cè)）葉綠體色素溶液顏色及變化原因。

1.實驗設(shè)計：將色素提取液放在樓道直射光環(huán)境下（光源也可用白熾燈代替），分別進行直射光側(cè)觀察和反射光側(cè)觀察。色素溶液與人眼同高，在透射光側(cè)觀察色素溶液的顏色;改變方向，在反射光側(cè)觀察色素溶液顏色有無變化。

2.具體操作方法和步驟（探究步驟見表2）。

原理：葉綠素吸收光量子轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的葉綠素分子很不穩(wěn)定，當(dāng)它變回到基態(tài)時可發(fā)射出紅光量子，因而產(chǎn)生熒光。葉綠體色素溶液用日光照射時，其反射光呈紅色的現(xiàn)象叫熒光現(xiàn)象。

學(xué)生通過葉綠素的熒光現(xiàn)象實驗的實踐、觀察和思考，理解了光合作用中光能吸收、能量傳遞、光化學(xué)反應(yīng)、ATP合成和CO2固定等光能代謝過程;葉綠體吸收光能靠的是葉綠素，在整體植物中，葉綠素所吸收的光能被用于光合作用，因此，看不到熒光現(xiàn)象。

三、反思與啟發(fā)

（一）成功的關(guān)鍵

筆者認(rèn)為本實驗改進成功的關(guān)鍵主要有四點：①用榨汁機迅速充分打碎綠葉既方便研磨又利于有機溶劑與色素充分接觸，使得研磨液中色素溶解量增加，獲得高質(zhì)量的色素提取液，同時節(jié)省時間;②確定乙醇等藥品的合理用量;③濾液細線畫法上的改進;④用改進的器具（覆有封口膜的15 mL刻度離心管）層析分離色素的綜合效果就是色素充分釋放，層析效果顯著。

（二）促進學(xué)生發(fā)展

1.發(fā)揮學(xué)生的主體性。在探究實驗部分，通過教師積極有效的引導(dǎo)，學(xué)生自主探究，非常直觀地觀察到了色素溶液對白光、紅光和藍紫光的吸收現(xiàn)象;學(xué)生通過把色素溶液放在太陽光下并觀察色素透光（幾乎不吸收綠光）和熒光現(xiàn)象等一系列由易到難、從簡至繁、層層深入的科學(xué)探究活動，激發(fā)了學(xué)習(xí)與探索的積極性和主動性，自己也真正成為了學(xué)習(xí)的主體。

2.有助于培養(yǎng)學(xué)生的問題意識。在基礎(chǔ)實驗中融入探究設(shè)計可以使學(xué)生在解決問題的過程中發(fā)現(xiàn)新問題、解決新問題，這樣更能增強問題意識。例如，色素提取液在樓道直射光環(huán)境下呈現(xiàn)綠色這一現(xiàn)象，因為有探究實驗①的鋪墊，學(xué)生容易理解葉綠體色素基本不吸收綠光，透出的是綠光而呈現(xiàn)綠色;再將色素提取液置于反射光側(cè)，觀察到顏色變?yōu)檠t色，并通過探究實驗②的分析找到答案;教師繼續(xù)追問：葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象的原理有哪些方面的應(yīng)用和價值？學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)，了解、掌握了相關(guān)知識，例如，葉綠素?zé)晒馐欠从橙~綠體狀態(tài)和光合作用效率的重要參數(shù)，是研究光合作用的無損傷探針，并被廣泛應(yīng)用于植物光合特性、農(nóng)業(yè)林業(yè)育種、病蟲害監(jiān)測、除草劑檢測、長勢和產(chǎn)量評估、植物抗逆性易感性等方面的研究。探究的過程從問題的提出到問題的解決，不僅使學(xué)生的知識得到了深化，而且使學(xué)生受到了科學(xué)思想和科學(xué)方法的教育，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.重視實驗過程的合作性。由于探究實驗是圍繞問題的提出和解決而開展的活動，分組探究實驗①②中，不論是背景紙的粘貼、光源的選擇與控制，還是光點檢測、觀察記錄，都需要小組通過分工合作、共同努力才能完成，因而，也是培養(yǎng)學(xué)生小組合作意識的過程。

4.用多元評價策略調(diào)動學(xué)生參與探究實驗的積極性，多方位培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。探究性實驗教學(xué)為學(xué)生創(chuàng)造了不同于驗證性實驗的學(xué)習(xí)氛圍，多種可能的實驗結(jié)果閃耀著科學(xué)的魅力;積極活躍的課堂交流、小組合作，能在不經(jīng)意間碰撞出思維的火花;從方案設(shè)計、實驗探究到結(jié)果分析的全過程，學(xué)生自評、互評、小組內(nèi)評價、小組間互評、交流評價，多樣化的評價方式和標(biāo)準(zhǔn)，激發(fā)了學(xué)生參與探究實踐的熱情，促進了科學(xué)思維和創(chuàng)新能力多維度的發(fā)展。

（三）促進教師發(fā)展

實驗改進與探究設(shè)計過程對教師也有重要的自我啟發(fā)作用。如白光手電筒就是用手機的手電筒光源前臨時粘上激光筆的小帽制作的。教師自己既要善于動腦，還要勤于動手，既要重視實驗創(chuàng)新，還要考慮該實驗的可操作性和實驗效果，只有設(shè)計出效果更顯著、現(xiàn)象更易于觀察的實驗才能激發(fā)興趣、引發(fā)思考，這樣實驗的改進才會更有意義。在基礎(chǔ)實驗中融入探究性設(shè)計，從構(gòu)思設(shè)想、探索嘗試到最終順利開展，需要教師的精心設(shè)計和謀劃。作為指導(dǎo)者的教師既要了解學(xué)生現(xiàn)有的實驗基礎(chǔ)，還要考慮實驗時間是否夠用、實驗器材和藥品條件能否滿足。當(dāng)然，最重要的是實驗教師理念新、思維活、會“挖礦”，始終把準(zhǔn)教材基礎(chǔ)實驗中科學(xué)思維的“礦脈”走向，使學(xué)生在實驗的“巷道”中既能收獲“礦品”還能發(fā)現(xiàn)“金子”。

新課改已經(jīng)推進，教師只有緊跟新課改的步伐，更新教學(xué)理念，不斷地學(xué)習(xí)、研究、總結(jié)和反思，努力提升學(xué)科核心素養(yǎng)和思維品質(zhì)，才能成為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)品質(zhì)的優(yōu)秀引路人。回顧生物科學(xué)的發(fā)展史，可以說，正是這些思路不同、設(shè)計不同、手段不同的生物學(xué)實驗推動了生物科學(xué)的發(fā)展，生物實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰吐鋵嵭抡n標(biāo)的重要途徑之一。總之，改進、創(chuàng)新永無止境，期待我們能在交流中不斷提高和完善。

[參 考 文 獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書 生物1 必修：分子與細胞[M].2版.北京：人民教育出版社，2011：97-98.

[3]曹麗.人教版教材的幾個實驗材料的改進[J].中學(xué)生物學(xué)，2010（8）：38.

[4]黃若梅.綠葉中色素的提取與分離實驗材料及過程改進[J].中學(xué)生物教學(xué)，2020（3）：74-75.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）