光合色素提取和分离实验的三个创新点

江苏 何金华 李明凯

(作者单位：江苏省滨海中学；滨海县东元中学)

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》指出，学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。通过生物学课程的学习，学生能够达成和深化科学思维、科学探究的能力，渗透和形成生命观念、社会责任，为终身发展、终身学习打下坚实的认识和实践基础。

本节课是人教版必修1第5章第4节的实验内容。学生在进行本实验的改进和创新前，已经学习了叶绿体的结构和功能，并初步掌握了实验操作的基本技能和基本方法。因此，根据学情和教材分析，笔者制订了学科核心素养下的实验教学目标。第一，生命观念：通过对提取的色素进行化学性质分析，深化结构与功能观、物质与能量观等基本生命观念(教学重点)；第二，科学思维：能运用归纳与概括等方法，分析文献资料，发展批判性思维、逆向思维(教学重点)；第三，科学探究：能通过对色素提取和分离实验的改进、创新，提高科学探究能力和小组合作、交流能力(教学重难点)；第四，社会责任：通过设计封闭式分离装置和反思，渗透环保意识、健康认识和社会责任感。在四个学科核心素养中，科学思维和科学探究的内容也是本节课教学的重点。

围绕教学目标，笔者和同学们一起提出了本实验的三个探究性的问题：第一，色素提取还有哪些方法，提取效果如何？第二，实验装置能否进一步优化？第三，酸对叶绿素的影响如何？液泡pH怎么估算？为此，笔者和同学们对实验进行了三个方面的改进和创新。

一、创新实验方案：利用酶解法进行光合色素提取

提取光合色素的方法较多，常见的是教材中给出的研磨法，除了研磨法之外，还有水浴提取法、超声波法等，水浴提取法也属于常规实验操作，创新性较小，超声波法由于实验器材价格问题，大多数学校不能开展。因此，与学生讨论后，笔者决定采用酶解法提取色素，该方法在高中生物学光合色素的提取实验中很少采用，具有较强的创新性。

纤维素酶和果胶酶可以破坏细胞壁，理论上可以提高色素的提取量。提取率越高，则提取液颜色越深、对应光谱的吸光度值越大。

根据实验原理，可通过测定光合色素的吸光度，设计实验比较研钵-乙醇法、研磨器-乙醇法、酶解-乙醇法的提取效果。

实验器材主要包括：试管，烧杯，研钵，研磨器，纤维素酶和果胶酶(图1)，移液枪(图2)，PASCO无线传感器及配套软件(图3和图4)。

图1

图2

图3

图4

实验操作环节需要同学们合作探究。首先将同学们分为三组，分别进行研钵-乙醇法、研磨器-乙醇法、酶解-乙醇法实验操作。第二步，对三组实验提取的光合色素进行吸光度测定。第三步，数据处理，分析吸光度值。

实验结果如图5所示。根据高中生一般的认知可以得到很明显的相关结论，即酶解-乙醇法明显优于其他两组实验。为进一步激发学生的求知欲，笔者在此时引入单因素分析和多因素分析，介绍统计学P值概念。数据处理时，教师展示三组实验的P值，均小于0.05，属于显著性差异。作为初步接触的知识，不必过于弄清原理，而是要拓展学生们的认知范围，引导其了解到数据处理环节更为广阔的精彩世界，能达成激发兴趣、开拓视野的目的即可。吸光度分析：纤维素酶和果胶酶可以破坏细胞壁，增加色素的提取量，光谱的吸光度值大。误差分析：绿光吸光度在酶解-乙醇法和研钵-乙醇法两组实验中吸光度均最低，但是在研磨器-乙醇法中高于红光和蓝紫光，学生小组分析猜测可能是研磨器研磨导致不同种类光合色素的含量有差异，即研磨器可能对色素含量的影响大。

图5

第二部分的数据处理是基于学生提出的“酶解-乙醇法中不同处理时间对色素提取的影响”课题进行的。同理，三个小组继续进行实验，在不同的时间测定吸光度，实验结果如图6。从实验结果看，20分钟的处理时间效果最好。原因分析：酶解时间到20分钟效果最好，超过20分钟，色素逐渐被降解，30分钟时达到相对低值，后续变化不大。

图6

实验教学反思与评价：色素提取方法的改变可以视为本实验最大的创新，数据分析从统计学角度进一步展开，可以激发学生学习兴趣、拓展学生视野，教学效果显著。但是实验中也需要事先完善实验方案，控制单一变量，同时教师也应该给予一定的仪器操作、数据分析帮助。

二、改进实验方案：利用封闭式色素分离装置实现绿色环保实验

原教材实验强调要避免吸收过多的层析液中的挥发性物质，且要求在通风条件下进行，实验结束后要用肥皂洗手。挥发性的有毒物质会通过扩散危害人体健康，但是教材对层析液如何回收没有具体说明，这就给同学们留下了继续探究的空间。

针对上述问题，笔者引导同学们思考有哪些容易获取、价格低廉的实验材料可以用于实验中挥发性物质的吸收和层析液的回收，有同学提出可以利用活性炭吸收挥发性物质、利用针筒回收层析液的建议，这给整个实验装置奠定了坚实的基础。

经过班级各个实验小组的分析和试错，构建好的实验装置如图7所示。该实验装置的材料包括：活性炭、一次性奶茶杯、针筒等，材料具有简单易取，成本低等优点。该封闭式色素分离装置的具体连接方式为奶茶杯顶部用针管和装有活性炭的针筒相连，用于吸收挥发出的有毒物质，活性炭可以从玩具的碳素包中获得；底部用注射器，实现层析液的注入和回收，可以较好地控制层析液的量，避免触及滤液细线；奶茶杯中用夹子夹住滤纸条，可以自由调节高度，一个夹子可以进行多组实验，提高效率。

图7

组装好的装置需要两名同学协助同时进行实验操作。首先，将滤纸条用夹子夹好放进奶茶杯中，调节好高度。第二步，盖上杯盖，连接装有活性炭的针筒。第三步，从底部加入层析液，此过程需要注意控制注射的速度。第四步，待层析结束后，下面的针筒抽回层析液，然后上面的针筒抽吸空气，吸收挥发出的有毒物质，在打开奶茶杯盖之前将窗户打开通风。

实验教学反思与评价：观察实验结果发现层析出的光合色素条带清晰。该装置能够达到相关的设计要求。但实验过程中需要注意组员之间的紧密配合，注意针尖可能造成的伤害。

三、拓展实验方案：酸对叶绿素的影响的探究

液泡中的酸性物质可以降解叶绿素，可以通过吸光实验将其直观化表达即利用醋酸降解叶绿素，并进行吸光实验。同时，可以对液泡中的pH进行初步探索。

实验器材主要包括：移液枪，比色皿，培养皿，试管，电灯，电脑(含软件)，菠菜光合色素提取液，醋酸。

实验操作环节需要一个小组的同学合作探究。首先，将菠菜光合色素提取液中加入过量醋酸，目的是完全降解叶绿素，与其他组进行对照实验。第二步，在预实验的基础上，配制pH分别为3、4、5、6的酸性溶液。第三步，将100 μL酸加入1 mL色素提取液中，测定吸光度。

实验结果如图8、9、10、11所示。观察可知，酸降解的组中吸收红光明显降低。

图8 空白试管

图9 加酸提取液

图11

依据上一个实验，正常研磨后(液泡被破坏，内容物释放)的吸光度在0.1上下波动。本实验中，pH为6的溶液吸光度明显高于其他组，最大值吸收红橙光在0.1左右，且差异显著，可以初步得到结论：液泡环境pH最接近6，也可以认为，叶绿素耐酸能力介于pH6～7之间，因此需要在实验过程中添加适量碳酸钙。误差分析：pH=6的实验对蓝紫光吸光度低于红橙光，可能原因是实验过程中破坏了叶绿素中某些特殊结构，对蓝紫光影响大于红橙光。

实验教学反思与评价：本部分的实验内容一是运用吸光实验将实验原理直观化表达，二是创新方法，初步探究了液泡的pH。学生通过此部分实验的拓展创新可以有效地提高科学探究能力，提升科学思维水平。不足分析：本实验在课外可以继续对液泡的pH做进一步分析。

总体来看，本实验共创新了两个部分、改进了一个部分：一是首次尝试使用酶解法提取光合色素，效果明显优于研磨法；二是创新实验方法，初步探索了液泡pH及叶绿素的耐酸范围；三是改进了实验装置，设计了封闭式色素分离装置，较好地实现和践行了绿色环保理念。实验过程中，学生参与度高，思维能力和动手能力均得到了锻炼，可以较好地培养学生的科学思维和科学探究能力，形成正确的生命观念和社会责任感。因此，本实验总体具有较高的参考价值和借鉴意义。

生物学是一门实验性学科，在实验中不断发现问题、分析问题、解决问题，不断渗透生命教育和社会责任教育是提高学生学科核心素养的重要途径。通过对生物学实验的反思和批判，培养学生的科学思维和科学探究能力，树立正确的生命观念，形成社会责任感。当然，在实验过程中，教师需要以一种宽容的心态允许学生犯错，要保护好学生进行生物学实验的兴趣，不断地激发他们学习生物学课程的积极性，为提升学科核心素养、培养终身发展的理念打下良好的学科基础。

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