基于深度学习理念的“绿叶中色素的提取和分离”实验探索

基于深度学习理念的“绿叶中色素的提取和分离”实验探索

陈婵 侯改成

贵阳市第三实验中学，贵阳 550001

摘要：在新课程改革的全面推行下,对高中生物实验教学提出了新的要求,强调全面发挥学生的自主探究、创新精神。教育部考试中心指出在高考命题的全过程中，向学生提供新知识或原有知识的延伸拓展信息，考查学生的探究能力和创新精神。在以往《绿叶中色素的提取和分离》实验教学中，忽略了该实验的延伸拓展——四种色素对光吸收的差别。因此，要研究类胡萝卜素在红光区是否有吸收，学生的学习就不能只停留在浅层学习，而是要进行深度学习。

关键词：深度学习；色素的提取和分离；实验探索

一、研究背景

《绿叶中色素的提取和分离》是人民教育出版社出版的高中生物必修1《分子与细胞》第5章第4节中的实验，在历年的全国生物课标卷中多次考查。实验中特别强调原理、步骤和结果的考查，仅在实验后面简单描述了四种色素对光的吸收差别。2017年高考生物课标卷Ⅲ中的第3题这样描述到：

植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应（如O₂的释放）来绘制的。下列叙述错误的是：

A．类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成

B．叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制

C．光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示

D．叶片在640~660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的

此题考查的是绿叶中提取的四种色素对光的吸收差别，错答率比较高。在以往的教学中，往往忽略了该实验的延伸——四种色素对光的吸收差别，导致学生只知其然，而不知其所以然。基于深度学习理念的“绿叶中色素提取和分离”实验探索就是在原有实验的基础上进行拓展延伸，学生自主探究学习，提出问题、作出假设、优化实验得出结论的过程。

二、实验原理

1.绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。

2.绿叶中不同色素在层析液中的溶解度不同，会随着层析液在滤纸上的扩散而分离。

3.超声波提取色素利用了超声波辐射产生的强烈空化效应和机械振动，增加物质分子运动的频率、速度、溶剂的穿透力，从而加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行。

4.皂化反应分离叶绿素和类胡萝卜素。叶绿素是二羧酸酯，与强碱反应，形成绿色的可溶性叶绿素盐，可与溶于石油醚的类胡萝卜素分开。

三、实验探索过程

1.实验过程

提出问题：探究类胡萝卜素是否能吸收红光，关键问题是什么？分离色素的前提是提取色素，如何提取绿叶中的色素？如何将类胡萝卜素和叶绿素分离？如何观察类胡萝卜素是否吸收红光?

通过思考和讨论，学生认为探究类胡萝卜素是否能吸收红光，关键问题将类胡萝卜素和叶绿素分离。然后按教材方法制备色素提取液，通过皂化反应分离叶绿素和类胡萝卜素，再利用紫外分光光度计分别测定二者的吸收光谱。

2.实验分析，提出假设

将实验测得的叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱与教材中叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱进行比较（如下图），找出不同之处。

波长（nm）

通过实验结果的比较，发现：分离得到的类胡萝卜素在红光区645nm左右仍有少量的吸收。叶绿素在红光区665nm左右没有明显吸收。

根据实验结果，提出以下3个假设：

2.1提取分离的类胡萝卜素中含有少量的叶绿素；

2.2通过教材原方法提取分离的叶绿素含量较低；

2.3皂化反应分离得到的是叶绿素盐，结构发生了改变。

3.根据假设，优化实验

通过查阅资料，针对3个假设分别提出相关优化方案：

3.1如何提纯类胡萝卜素？

用20%KOH甲醇溶液反复萃取，提纯类胡萝卜素，进行吸光度的测定。

3.2如何提高色素的含量？

采用超声波提取色素，皂化反应后分离出叶绿素，再测定叶绿素的吸光度。

3.3如何更好的分离色素？

将提取的色素用圆形滤纸进行纸层析，将滤纸上的色素带分别剪下，溶于无水乙醇，分别测定叶绿素和类胡萝卜素的吸光度。

4.分析结果，得出结论

通过对实验优化后的结果分析，学生发现用20%KOH甲醇溶液反复萃取，提纯的类胡萝卜素仍含有少量的叶绿素，最后用圆形滤纸上分离得到的色素带，分别测出的吸收光谱更具科学性，也与教材中的吸收光谱更接近（如下图）。综上所述，类胡萝卜素在红光区是没有吸收的。

5.反思

5.1在实验探索的过程中，为什么我们的实验结果与教材原图仍存在差别？

实验结果与教材中的吸收光谱仍旧存在一定的差别，可能与实验材料的选取、方法的选择、实验的操作、以及分光光度计的仪器误差等因素有关，这些都是我们今后实验探索的方向。

5.2思考：类胡萝卜素在红光区到底有无吸收？

查阅资料，思考讨论：

波长（nm）

5.3回到之前的高考题，答案A错在哪里？

类胡萝卜素不吸收红光，所以也不能用于光反应中ATP的合成。

四、小结

在实验探索过程中，通过提出相关问题，引导学生积极思考，让学生质疑、发现问题，提出假设，优化实验方案，分析结果得出结论。在深度学习理念的指导下，将问题解决作为一种途径以锻炼学生的深度学习能力，并在这个过程中培养学生的批判性思维能力，强调其高阶思维能力的培养，注重学习过程中的积极反思，以此来促进生物综合素养的不断提升。该实验探索的创新之处体现在以下几点：

1.优化了教学内容。将传统的色素提取和分离实验与色素对光吸收的实验进行了整合。

2.优化了分离色素的方法。通过纸层析法分离色素，将滤纸上的色素带分别剪下来，溶于无水乙醇，分别测定吸收光谱。这样的方法不会破坏叶绿素的结构，保证了实验的准确性。

3.选择枸杞作为标准品进行吸收光谱的测定。设置对照，比较分析得出结论：类胡萝卜素不吸收红光。

4.突出了基于问题解决的深度学习。

我们希望通过深度学习，培养学生的高阶思维能力，让学生在自主探究的过程中，发现问题、解决问题，体验再发现的过程，使学生自己成为发现者！

参考文献

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本文为2019年贵阳市高层次创新型青年教师资助项目《高中生物实验课程资源的开发和利用的实践研究》的阶段性成果。