教学设计丨光合色素的提取与分离实验

▲北京市第四中学   陈月艳

北京市正高级教师，北京市特级教师，北京四中生物教研组组长

本文章选自李秀军主编的《核心素养导向的高中生物学教学实践》一书，北京师范大学出版社2021年3月正式出版。

1.教学内容分析及《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称2017版课标）要求

植物光合作用始于光合色素吸收、传递和转换光能。在学生学习光合作用机理之前，进行光合色素的提取和分离实验，既能激发学习和探究兴趣，尝试技术方法，又为学习和理解光合作用中的能量转化奠定基础,是本章教学的重点之一。

2017版课标对光合作用教学的要求是：说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转化并储存为糖分子中的化学能。为帮助学生答成对上述概念的理解，应开展“提取与分离叶绿体色素”的实验教学活动。

2.学情分析

学习本节课之前,学生已经知道叶绿体的结构和光合色素的分布；对植物的色彩有直接的生活体验，因而对植物色素的种类具有浓厚的探究兴趣；本实验所获得的结果是学生理解植物光合作用光能转化机理的基础，有助于学生理解生物界和非生物物质和能量转化的统一性与差异性；从技能和技术上看，本实验是学生第一次接触真正意义上的根据物质性质分离与提取物质的实验，利于学生认识科学与技术的关系，体会生物技术的价值，培养学生的技术素养。

3.教学重、难点

教学重点：实验原理解析，实验操作，实验结果分析 ，层析技术的拓展应用。

教学难点：叶绿体色素分离的原理 ，紫红月季叶片的色素分离结果分析 ，层析技术的拓展应用

4.教学准备（设备和资源）

其他教学准备:实验操作步骤的视频,实验操作图片资料,学生实验报告。

1.说出提取和分离光合色素的原理；

2.进行光合色素提取和分离的实验操作，描述光合色素的种类和色泽；

3.体验物质提取和分离实验的原理和方法，认识层析技术是物质分离的重要技术；

4.体验从微观水平上探究和解释生物宏观现象的研究和思维方法，建立生物宏观与微观的联系，感受自然之美。

本节课的主要教学流程如下：

1.从植物物质和能量转换以及叶色变化的角度导入课题，激发探究欲望

光合作用的教学重点是揭示光合作用的机理，从而理解光合作用这个重要概念。教师通过科学史、实验探究、总结归纳等教学策略进行光合作用重要概念的教学，通过环环相扣的如下问题串，引领学生从细胞水平和分子水平上逐层深入解析光合作用的机理：①科学家如何证明氧气是由叶绿体释放的？②光合作用释放的氧气来自于其反应原料的H2O还是CO2？③在叶绿体中，能量并不高的可见光为什么能把H2O裂解，释放出氧气？叶绿体色素的种类及其吸收光谱是怎样的？色素吸收光能后引发了怎样的物质和能量变化？④CO2是如何转化为葡萄糖等有机物的？科学家用什么技术方法来研究这个问题？可见,教师通过单元内容的整体备课，在光合作用物质和能量转换的整体知识框架和主题下,引领学生探究光合色素的种类和作用。

在本节课的具体教学过程中，教师主要通过两个关键问题导入光合色素提取和分离的实验课题：首先，师生共同回顾鲁宾、卡门的同位素示踪实验，提出问题一：自然状态下在生物体外，水接受光照后不能自然分解释放氧气，那么在叶绿体中，能量并不高的可见光为什么能把H2O裂解？因为学生已经知道植物利用、转换光能的前提是吸收光能，而光能的吸收是由叶绿体类囊体膜上的色素完成的，进而提出问题二：绿色叶片的叶绿体中是否只含有叶绿素？针对这个问题，一些学生根据叶片秋天变黄的现象，推论叶绿体中不仅有叶绿素，还有黄色的色素等。此时正值秋季，教师不时时机展示校园中金黄色的银杏树和鹅掌楸等，为学生的观点提供证据；另一些同学则认为：秋天叶色变黄，可能是环境变化导致叶片形成新色素的结果，因此，问题聚焦到本实验课探讨的核心问题：绿色叶片或其他颜色的叶片到底含有那些色素呢？

2.选择多样化的实验材料，激发学生合作探究的欲望

绝大多数教师组织该实验教学时，往往只为所有学生准备一种植物的绿色叶片，如菠菜叶片。那么，不同植物的绿叶所含有的色素种类相同吗？为什么有些植物叶片为红色，这样的叶片能进行光合作用吗？这些问题从自然现象出发，与生活联系密切，非常能激发学生的好奇心和探究欲望，因此教师准备了四种实验材料分发给不同小组的同学：绿色菠菜叶、取自校园内的绿色玉簪叶、绿色油菜叶、月季枝条顶部的紫红色叶片（图1）。本节课通过各小组分工合作，共同实验探究不同植物叶片中色素的种类，而对月季紫红叶片中色素种类和性质的探究，还为学生理解色素的存在部位与其溶解性的关系，提供了理想素材。

▲图1 月季枝条顶部紫红色叶片

3.精心设计各教学环节内容和时间，提高实验课堂教学效率

高中生物课程中的多个实验，在学生完成实验操作后，往往需要等待较长时间，才能获得理想的实验结果。课堂上教师若放任这一段等待时间，则学生往往懒散松懈，无所事事，课堂教学效率低。本实验中，学生完成色素划线和层析操作后，需要等待约15分钟，才能保证绝大多数小组得到理想的层析结果，而观察到理想的实验结果能增添学生探究实验成功的喜悦和乐趣。笔者精心设计教学内容和时间，有机结合演示、学生操作、原理解析、结果分析等环节，理论教学和实验教学同步，体现学生在做中学，学中做的探究过程，教学内容逻辑清晰，丰富到位，课堂节奏弛张有序。主要内容的教学环节及顺序如下：

本实验包括如下材料用具：新鲜菠菜叶、莜麦菜叶、月季叶、玉簪叶；研钵、剪刀、层析缸、滤纸条、直尺，培养皿，镊子；酒精、层析液、CaCO3。教师在器材准备的细节上有两项改进：一是选用直尺蘸取色素提取液进行色素划线，简单易行且效果好；二是裁剪滤纸条的宽窄、长度适宜，使滤纸条刚好能稳定直立于层析缸中，保证层析成功的同时，减少操作时间和层析液暴露的时间。在展示实验用具时，教师通过展示图片，介绍不同小组所用叶片材料的差异，以强调分工合作探究的重要性。

教师提前录制约5min的操作录像，上课时展示操作过程。在播放视频的同时，教师强调具体步骤的操作细节，如叶片折叠后再剪碎可节约时间、研磨要充分、层析时层析液一定不能没过色素线、尽量减少层析液暴露时间等。播放完录像后，教师简要总结实验步骤：①色素提取: 剪叶→加试剂（CaCO3 、SiO2、酒精）→研磨；②色素分离：色素提取液划线→层析分离。通过播放示范操作录像，既节约了讲解的时间，又直观清晰，保障了学生实验的顺利进行。

为提高学生实验效率，教师给学生提出了5min完成实验操作的要求，以便为色素在滤纸上的扩散赢得时间，学生实验高效而有序。

学生虽完成实验操作，但对实验原理仍存有疑问，教师利用学生已有实践经验和自己课前实验研究的结果，设置相关问题，深刻解析实验原理。

①分析绿叶脱色实验，解析提取色素的原理。叶片脱色的操作，是学生初中做过的“检测叶片中的淀粉”实验中的步骤，学生有直接经验。为让学生理解色素提取的原理，教师课前拓展该实验，课上展示如图2所示的不同实验处理下叶片脱色的结果，并引导学生进行如下分析：图2中A、B组对照，说明色素溶于酒精而不溶于水。该教学环节中，教师还展示自己烹饪的色彩分明“翡翠白玉汤”（即青菜豆腐汤）照片，在轻松的课堂氛围中，说明高温水煮条件下，叶片不脱色的道理；图2中 A、C组对照，说明只有通过一定方法（如沸水浴加热）破坏叶片和叶绿体的结构，才能溶取叶绿体类囊体膜上的色素。为了不破坏色素的成分和性质，本实验采用有机溶剂研磨法提取色素，即通过研磨方法破坏细胞和叶绿体的结构后，用酒精溶取叶绿体色素。

▲图2 不同实验条件下叶片脱色的结果

（A组叶片浸于酒精中沸水浴，酒精溶液变绿，叶片脱色；B组叶片浸于清水中沸水浴，水溶液不变色，叶片不脱色；C组叶片浸于酒精中温水浴，酒精溶液无色，叶片不脱色）

②分析以酒精为层析液的色素分离结果，解析层析原理。由苯、石油醚、丙酮配置而成的层析液有一定的毒性，那么，既然色素能溶于酒精，为什么不用酒精代替有一定毒性的层析液来分离色素呢？在提出该质疑的基础上，教师展示用95%酒精为层析液如图3所示的层析结果，并组织学生分析获得如下结论：色素能随着酒精在滤纸上向上扩散，其原因是色素溶于酒精。从滤纸上显示的色素颜色可以看出，绿色叶片中应该含有不止一种色素，但不同色素在酒精溶液中溶解度差异不大，因而在滤纸上的扩散速度相近，色素分离的效果不理想，因此酒精溶液不是理想的层析液。那么，同学们利用层析液进行层析的结果如何呢？此时，大部分学生的滤纸上已显现出分离效果较好的色素带。通过和以酒精为层析液的层析效果相比，学生轻松理解了层析的原理：不同色素在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸条上扩散速度不同，因此可用纸层析法分离色素。经过这样的分析，“层析时层析液不能没过色素线”的道理，也显而易见，易于理解。

▲图3  以酒精为层析液的层析结果

各组学生汇报绿色叶片的色素分离结果，获得的结论如图4所示：菠菜、玉簪、油菜三种绿色叶片均含有四种同样的色素，根据色素带在滤纸上的扩散位置可以知道，在层析液中色素的溶解度大小依次为橙黄色的胡萝卜素、黄色的叶黄素、蓝绿色的叶绿素a、黄绿色的叶绿素b。探究出绿色叶片色素的种类之后，教师进一步强调说明：不同植物的绿色叶片在适宜的条件下都能进行光合作用，正是和这四种共有的光合色素对光能的吸收和利用有关。

▲图4 绿色叶片中色素的层析结果

在学生明确绿色叶片含有的色素种类后，教师请以紫红色月季叶片为实验材料的小组汇报层析结果，这也是全班同学所期待的。该组同学得到的结果如图5A图所示，其中四条色素带与绿色叶片所示结果相同，而紫红色叶片特有的紫红颜色的色素带则仍停留在色素划线位置，并未扩散。学生分析实验现象，得出紫红的色素不溶于酒精或有机溶剂的结论，进而推测该色素可能是存在于液泡中的水溶性色素。那么怎样证明该推测呢？这个问题具有挑战性和吸引力，学生思维活跃。按照学生的设计方案，教师呈现如图5C及图5A、图5B所示的实验结果：图5C色素的水层析结果验证了四种光合色素不溶于水而紫红的色素溶于水的推测；图6显示的是月季紫色叶片显微观察的结果，证明紫红的色素确实为存在于液泡中的花青素。

▲图5 月季紫红色叶片中色素的层析结果

A.层析液中层析结果    B.层析前      C.水中层析结果

▲ 图6 月季紫色叶片显微观察结果

4.拓展实验研究结果，体现层析技术在物质分离中的重要作用

上述实验研究结果神奇而有趣，激发了学生更高涨的学习热情。此时，教师不失时机地展示课前所进行的两个拓展实验结果，把学生带入更为奇妙的层析分离技术情境中。

首先，教师展示红色柿子椒的图片并提出问题：柿子椒果肉为红色，其中含有哪些色素呢？色素存在于果肉细胞的什么结构中？其溶解性如何呢？因为已尝试过层析分离色素的技术，针对上述问题，学生设计了如下实验方案：用水或层析液进行层析来探究色素的种类和溶解性质；用显微观察法探究色素的分布。此时，教师呈现如图7所示的色素水层析和层析液层析的结果，以及如图8所示的显微观察结果。滤纸上用层析液分离得到的清晰而漂亮的色素带令学生颇为惊叹，显然，色素不溶于水，溶于有机溶剂，教师向学生说明红辣椒果肉细胞里存在的色素为辣椒红素，属于类胡萝卜素。显微观察到的结果则和学生的预测是一致的，即色素存在于果肉细胞的有色体中。在该教学环节中，教师引领学生运用生物学的技术方法，从宏观上的色彩，到物质分离的化学技术，再到显微镜下的微观结构，师生沉浸于奇妙的生命色彩世界中。

▲图7 柿子椒果肉细胞中色素的纸层析分离

▲图8 柿子椒果肉细胞中的有色体

绿色叶片中分离出了四种不同的色素，红色柿子椒中也分离出了多种色素，那么月季叶片中紫红的花青素是否也含有多种呢？教师展示如图9A、9B的研究结果，即利用层析液层析分离得到的胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b 4条色素带，然后提出具有挑战性的新问题：能否利用图9B中的同一张滤纸继续层析分离花青素呢？依据学生的实验设计方案，教师呈现把图9B中的滤纸条旋转90度后继续用水层析色素的结果，如图9C，在此基础上利用图10进一步总结说明双向纸层析技术。教师从理论上和实践上介绍双向纸层析技术，不仅体现了学科知识的综合，拓宽了学生视野，让学生体会层析技术在物质分离方面的应用价值，同时为后续讲解“卡尔文利用双向纸层析技术分离碳反应产物”的科学史奠定了基础。

▲图9 紫红色月季叶片色素的双向纸层析

▲图10 双向纸层析分离技术的模式图

5.首尾呼应解答疑问，拓展活动激发创造力

通过探究，学生可以解答课程伊始时提出的问题：绿色叶片中虽含有4种色素，但是因为叶绿素含量高于类胡萝卜素，所以叶片呈现绿色；秋天，由于环境条件变化，不稳定的叶绿素分解，叶片往往呈现黄色。为了进一步证实该结论，教师展示图11所示的秋天鹅掌楸黄色叶片的色素分离结果，同时展示黑暗和缺镁条件导致叶黄化的图片，使学生理解植物的叶色不仅和色素的种类和含量有关，也受到光照、矿质营养、温度等环境条件的影响。

▲图11 鹅掌楸黄色叶片色素分离

课程进行到此，学生意犹未尽，此时教师展示综合了师生课内外研究的如图12的色素分离图片，并用如下富有激情的语言布置学生的课外拓展活动：同学们看，我们用生物技术的画笔，蘸着大自然的色彩，描绘出了一副副美丽“山水画”，在我们即将开始的科技月“植物色素水墨画”比赛活动中，同学们将有机会充分发挥自己的想象力和创造力，绘制出更富有创意的作品。该教学环节旨在让学生感受生物宏观之美与微观结构的联系，感受生物技术的神奇,体现生物教师对学生人文情怀的渗透。

▲图12 植物色素“水墨画”

（由左向右所用材料依次为：玉簪叶、酢酱草叶、柿子椒果实、菠菜叶、牵牛花花瓣、月季叶）

本节课中,教师围绕色素提取和分离技术的原理和操作,设计和日常生活现象密切相关的教学内容，既激发学习兴趣，拓宽了学生的视野，满足学生的好奇心和探究欲望，又符合学生认知规律，凸显重要概念，为光合作用机理的学习奠定基础。本节课丰富而贴切的素材以及这些素材的有机整合，得到了教师们的认同。课后有年轻教师询问：如何能想到利用这些丰富而独具特色的素材来组织这样一节实验课？在设计这一节课的过程中，教师利用工作之余，和一些学生进行了约一个半月的色素分离和层析研究。在研究过程中，不断从发现的问题中开发新的实验，不断从获得的研究素材中得到灵感,修正教学设计方案，将这些素材有机融汇于课堂中，培养学生的科学思维和探究能力，突出技术的应用和对学生技术素养的培养，突出对学生科学审美能力的培养。所以，我想，如果教师能多年不断地用心积累和思考，熟知学生已有的知识背景和实践经验，熟知初、高中课程的所有内容和承接关系，如果教师心里始终装着对学生科学和人文素养培养的教学目标，如果教师本身酷爱自己的专业并在理论和实践上从不停止探索生命世界的脚步，便能把自己对于感知大千世界之因果的欣喜与感悟与学生分享，使每一节课呈现生命世界的魅力。

高中生物学教学实践》

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文章来源：京师生物圈