基础色谱实验教学一体化改革的实践与思考——绿叶色素的分离：纸上色谱、薄层色谱与柱色谱

赵 璐， 柏珊珊， 刘树仁， 饶桂维， 都韶婷， 冯建跃，2

（1.浙江树人学院交叉科学研究院化学与生物基础实验教学示范中心，杭州 310015；2.浙江大学实验室与设备处，杭州 310058）

0 引 言

2020 年8 月，“交叉学科”被教育部正式确立为第14 个学科门类，国家自然科学基金委也在传统的8 个学部之上新设立了交叉科学部。学科间的交叉融合已成为未来科学发展的必然趋势［1-3］。在这样的背景下，我校于2020 年6 月成立了交叉科学研究院，旨在推进化学、环境与跨学科研究和化学与生物实验教学平台建设。在基础化学实验教学领域，也积极尝试突破传统的无机化学、有机化学、分析化学和物理化学之间的壁垒，将具有相似原理、相似操作，可以进行类比教学的传统实验项目进行融合，以期取得更卓越的教学效果。

色谱技术是最重要的复杂物质分离分析技术，其中纸上色谱、薄层色谱和柱色谱是色谱技术的基础内容，也是大学基础化学实验的重要组成部分。此3 种色谱方法在实验原理和操作方面存在较大的相似性，但又各具特点而适用于不同的场景。本课程改革尝试将上述3 种色谱方法融合于同一个综合性实验中，并以学生为中心，融入实验方案设计和思政教学等元素，旨在促进学生更系统掌握这3 种基础色谱操作方法及各自的特色，提升复杂物质分离分析的技能。

1 基础色谱实验课程改革的意义

1.1 单立同质化实验项目使思维受限且浪费资源

在传统的基础化学实验教学中，纸上色谱、薄层色谱和柱色谱这3 种基础的色谱实验操作常被分散于无机、分析和有机化学实验的不同课程中进行。金建忠等［4］主编《基础化学实验》中“纸上色谱—无机离子的分离和鉴定”实验，其主要目的在于学习纸上色谱操作方法，并通过比移值的计算和不同离子的特殊显色来鉴定无机离子；唐向阳等［5］主编《基础化学实验教程》中的有机制备实验进行了天然色素的提取及薄层色谱分析；肖玉梅等［6］主编《有机化学实验》中分为了3 个独立实验，即甲基橙和亚甲基蓝的柱色谱分离实验，苯胺和邻苯二胺的纸上色谱实验，以及间硝基苯胺和偶氮苯的薄层色谱实验。将这3 种色谱手段单独设立实验分开进行教学，一方面，局限了学生思维，只能了解每种色谱方法的基本原理和操作步骤，而无法理解彼此之间的差异、联系及互补关系；另一方面，造成教学时间和教学资源的浪费。单独设立课程需要单独分配教学时间和实验资源，导致整体基础化学实验教学的时长增加，压缩了其他实验或者课程的教学空间；同时，学生需要反复学习相似的概念和操作，也增加了学习的时间成本。

1.2 基础色谱操作串通教学可激发学生的创新思路

纸上色谱、薄层色谱和柱色谱都是基于物质在流动相和固定相之间的相互作用来实现物质分离。虽然在基本原理、实验操作和结果分析方面存在一致性，但是这3 种色谱手段也因为彼此的差异而适用于不同的分离分析场景。纸上色谱和薄层色谱适用于小样品量和快速分析，而柱色谱适用于大样品量的分离制备以及复杂化合物的分离纯化。因此，将这3 种色谱操作串通教学更易让学生认识到这3 种色谱方法的差异，有助于理解它们之间的联系和相互补充的关系，促使学生学习如何根据样品的性质和分离的目的选择合适的色谱方法，激发学生思考，学会如何在不同的实际问题中综合应用这些色谱方法来解决复杂的物质分离问题。开设综合色谱实验可以帮助学生全面理解基础色谱技术，并培养他们的实验技能、问题解决能力和实际应用能力。

2 实验内容设计

2.1 设计思路

根据布鲁姆教学目标分类，在认知领域，教育目标分为知识、领会、运用、分析、综合、评价六类。其中知识、领会和运用是较低级的认知目标，分析、综合和评价为高层次的认知目标［7-8］。本实验的教学目标在于全方位培养学生的知识、能力和素质。在知识方面，能让学生掌握纸上色谱、薄层色谱和柱色谱的基本实验手段，能够进行规范的色谱操作，并准确计算比移值；在能力方面，能让学生根据比移值评价色谱方法的优劣，设计实验方案，得出科学的结论，并比较不同色谱方法的适用性；在素质培养方面，能让学生建立分离科学基本的实验体系，形成复杂物质分离分析的整体实验思路，培养科学思维，树立环保意识，养成良好的实验习惯。为了实现这一培养目标，我们对实验内容进行了重新设计。

2.2 实验框架与流程

本实验通过对绿叶色素进行分离分析进行纸上色谱、薄层色谱与柱色谱3 种色谱方法的教学，具体的实验内容和框架流程见图1。

图1 实验内容和框架流程

课程开展前，学生通过讲义以及线上平台进行自主预习。学生们在完成预习测验的基础上，选择探索课题进行分组，阅读教师提供的参考文献［9-14］或通过自行资料查找后进行方案设计并在课前提交设计方案。在课堂上，教师首先进行预习测验的讲解，巩固基础知识。在此基础上对验证实验操作注意事项和操作细节进行强调演示，并引导同学们对实验设计方案开展讨论，在充分可行的基础上分组开展实验。

2.3 实验内容

（1）使用乙酸乙酯提取菠菜叶中的绿叶色素（见图2）。绿色植物中富含叶绿素、叶黄素和胡萝卜素等植物色素，这些植物色素可以通过简单的有机溶剂萃取即可获得，并且它们具有明显的颜色差异。例如，叶绿素a（C55H72O5N4Mg）为蓝绿色，叶绿素b（C55H70

图2 菠菜色素的提取、纸上色谱、薄层色谱及柱色谱分离过程

O6N4Mg）为黄绿色，胡萝卜素（C40H56）为橙黄色，是具有长链结构的共轭多烯；叶黄素（C40H56O2）为黄色，是胡萝卜素的羟基衍生物，又称为类胡萝卜素。通过观查它们的颜色差异，即可实现有效的分辨。丰富多彩的颜色变化也在一定程度上增强了实验的趣味性。

（2）通过验证性实验保证学生掌握纸上色谱、薄层色谱和柱色谱的基本操作手段以及结果分析方法。纸上色谱以定性滤纸为固定相，石油醚为流动相，在试管中展开分离，记录展开剂前沿，观察分离结果；薄层色谱以商业化的硅胶薄层板为固定相，6∶4的石油醚和丙酮（体积分数）为流动相，在层析杠中展开分离，记录展开剂前沿，观察分离结果，计算比移值；柱色谱以150 ～160 目的中性氧化铝为固定相，分别用9∶1的石油醚和丙酮（体积分数）以及4∶1的乙醇和水（体积分数）为洗脱剂进行洗脱，观察洗脱效果。

（3）固定相以及流动相是色谱分离过程中最重要的影响因素，本实验设计了探究选题。将学生分组进行不同选题的探究，主要选题包括：

①研究纸上色谱中不同的展开剂种类对于菠菜色素分离的影响。在纸上色谱展开剂的探究过程中，重点引导学生比较不同的展开剂种类对于菠菜色素的分离效果的影响。在纸上色谱中，最常用的展开剂种类包括石油醚、四氯化碳、丙酮等，不同的溶剂在极性方面有较大的差异，通过不同的展开剂的分离能力让学生切实体会展开剂极性在色素分离过程中的影响。

②研究薄层色谱中不同的展开剂组成对于菠菜色素分离的影响。在薄层色谱的探究过程中，重点引导学生比较相同的展开剂在不同的组成比例条件下的分离效果，以石油醚和丙酮为展开剂，设置不同的组成比，通过对分离结果的观察，从而了解石油醚和丙酮在绿叶色素在薄层色谱分离过程中所起到的不同作用。

③研究柱色谱中不同的固定相对于菠菜色素分离的影响。在柱色谱分离过程中，最常用的固定相包括硅胶、中性氧化铝、树脂、氟罗里硅土、C18 等，然而在色素的柱色谱分离过程中最常用的为硅胶和中性氧化铝，引导学生通过查阅文献，确定不同的固定相以及洗脱剂，观察不同固定相对于绿叶色素的分离效果。

④进行小组汇报和讨论。在探究选题充分开展实验、得出设计性实验的结果后，进行汇报交流和讨论，得出明确的实验结论。在课后通过线上平台分享各组的实验结果，并完成实验报告的提交和反馈。

通过这种探究式的学习方法，学生将有机会自主选择研究课题，并进行实际的实验设计和操作。这将培养他们的科研能力、实验设计能力和团队合作能力，并使他们更深入地理解不同展开剂和固定相在色谱分离中的作用。在实验过程中充分发挥自主能动性，积极投入到实验课程中。

3 实验教学方法

3.1 开展线上线下混合式教学

采用混合式教学方法［15］，通过微信学习群和学习通线上平台，分享实验基本原理、实验内容、操作视频、参考文献等学习资料。学生在课前展开充分的自主学习，掌握基础知识点，进行自我测评。在此基础上，选择探索性实验课题，组成实验小组，通过对提供的文献进行研究并设计实验方案。在课堂上着重于操作能力的锻炼和设计实验的开展和验证。线上平台让师生之间的沟通更为便利，也让宝贵的课堂时间得以充分利用，提高课堂效率。

3.2 调动学生学习参与度

以学生为中心，开展教学活动，包括课前的预习自学、分组，对研究课题进行深入探索。课程中，学生在实际操作和分析过程中将面临各种挑战和问题，通过自主学习和团队合作解决问题，学生能够培养批判性思维和创造性思维，并将所学知识应用到实际情境中。随后的小组方案设计汇报等多样性的教学活动内容也将激发他们的学习兴趣和动力，老师的引导和支持也为学生提供必要的指导和反馈。

3.3 注重过程性评价

从多维度来评价学生的实验课程学习效果，包括出勤、操作规范、课堂表现、实验预习以及实验报告的撰写。通过多元化的评价流程来对学习效果进行综合评价，便于了解学生的知识掌握情况以及能力培养的达成情况。实验成绩及时反馈，让学生及时了解自己的学习效果，查漏补缺，强化不足。

4 课程思政

课程思政是高等教育改革的重要内容之一。教育部明确指出要结合专业特点分类推进课程思政，让每一门专业课程都能够发挥好思政育人的作用［16-17］。本实验课程也充分引入思政元素，强化育人作用。

（1）将屠呦呦与青蒿素的故事引入课程，让同学们更好理解天然物质提取的意义和实际应用。屠呦呦和她的团队经过多年研究，成功从中草药青蒿中提取分离出了青蒿素，为治疗疟疾做出重要贡献，并于2015 年获得我国本土科学家在自然科学领域的第一个诺贝尔奖。青蒿素的提取分离与本门课程密切相关，作为课程导言导入课程主题，能够迅速集中学生的注意力，体会科学魅力和价值，培养学生对本土科学家的认同和敬意，厚植爱国热情［18］。

（2）将我国色谱领域的奠基人卢佩章院士的故事引入本课程。卢佩章院士是杭州人，本校地处杭州，学院也珍藏有卢佩章院士签名的《难忘的岁月》实物书籍，该书记录了老一辈科学家在艰苦的实验条件下仍然努力工作，克服一个个难题的故事，充分体现了老一辈科学家的奋斗精神。在本实验讨论中引入杭州人士卢佩章院士的故事，能够增强同学们的自豪感和自信心，激发科学热情和责任担当，启发他们在学习中追求卓越、勇往直前。

（3）实验过程中使用的有机溶剂以及手套等耗材。通过对有机溶剂的回收集中处理，倡导珍惜使用耗材，树立学生的安全环保意识。此外，课程内容还涉及实验方案设计和探索。在此过程中，教师鼓励学生合作、相互支持，共同完成完整的实验报告，帮助学生切实体会科研精神和团结精神。

5 结 语

本实验的改革重点在融合相似性实验内容，引入探究课题和思政元素，实现知识、能力和素养全方位、多层次的人才培养目标。经实践后，学生参与实验的热情有了明显的提高，能够在课前积极主动的完成实验预习，积极参与方案设计，并在课堂主动提问和分享实验成果。学生们普遍表示他们更喜欢探究式学习的方式，小组合作汇报增进了交流，提高了团队合作能力，也对科学探究产生了浓厚的兴趣，这一点也从学生们对于各类学科竞赛的参赛热情上得到了很好的印证。2021 ～2022 年，班内学生获“中国国际互联网+创新创业竞赛”银奖1 项目，“全国大学生生命科学竞赛”二等奖2 项，三等奖2 项，“浙江省大学生化学竞赛”一等奖2 项，二等奖2 项等多项学科竞赛奖项，参与发表多篇SCI 论文。此外，教师团队对课程改革的效果也给予了积极的评价，他们观察到学生的学习态度和学习效果的明显提升，认为改革后的课程设计更具有针对性和实践性。教师们在课堂教学中获得更多的满意反馈和积极互动，教学资源得到更为有效的利用。