基于STEAM理念对色素提取与分离实验的改进

摘 要：色素的提取与分离是高中生物必修一模块中一个必须掌握的基础性实验，能有效提高学生联系生物与生活、实验操作改造能力和实验的鉴赏能力。该实验自编入人教版课本多年以来，实验的材料和操作步骤等基本上没有做过修改。结合教学实践和教师的反映发现，即使完全按照课本所提供的材料和实验方案进行规范操作，色素提取和分离的效果依然不够理想。基于STEAM理念，学生依据教材的基本原理，通过自主设计、选材、加工并改善色素提取方法及色素分离的方法。通过学生不断探索和反复试验，最终实验现象更明显，实验操作也相对更便捷，从而达到学生的学习推动教育者的教学改革，以学促改。

关键词：STEAM；色素提取；色素分离；生物实验

一、问题的提出

实验“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一“分子与细胞”中的重点实验之一，叶绿体中的色素在光合作用中起着吸收、传递与转化光能的作用。精心设计绿叶中色素的提取和分离实验，有助于学生更好地理解光合色素的种类和作用。加强学生对光合作用的理解和掌握，培养学生提取、分离、观察叶绿体中色素的技能。然而结合教学实践和教师们的反映发现，即使完全按照必修一教材提供的材料和实验方案进行规范操作，色素的提取和分离效果依然不理想。主要原因可能是：1. 学生研磨技能差，用药量不准确，没有充分提取出色素或者色素在提取的过程中被破坏。2. 有些菠菜叶肉细胞的叶绿体中色素含量并不高，且研磨过程中，色素分子极容易遭受破坏。3. 采用条形滤纸层析法，因操作烦琐，注意事项颇多，如不规范操作，很难得到较好的实验结果。基于STEAM教学理念，让学生对实验进行设计和改造，教师提供实验材料及基本原理指导，然后经过师生重新设计、改善，提高色素的提取效率，改变实验提取的方法，色素分离的现象更明显。实验过程都是基于STEAM（Science-Technology-Engineering-Arts-Maths，即科学—技术—工程—艺术—数学）基本理念，进行跨学科融合而设计。基本思路如下：

二、实验设计

（一）实验原理

绿叶中与光合作用有关的色素不溶于水，但能够溶解在无水乙醇等有机溶剂中。无水乙醇无色无毒，且没有强烈刺激性气味，所以我们通常用无水乙醇提取绿叶中的光合色素。绿叶中与光合有关的色素不止一种，它们都能溶解在层析液中。不同的光合色素在层析液中的溶解度不同，溶解度较高的色素随层析液在滤纸上扩散得相对快些，反之则慢些。经放置一段时间，色素就会在滤纸上因扩散速率不同而相互分开。在我们生活中，也有很多食品使用了色素作为着色剂，不但食物色泽鲜艳，相比人工色素而言，从植物中提取的色素更安全。实验过程中，学生通过依据教材的基本原理，基于STEAM教育理念，自主设计并改进实验方法，达到更理想的效果。

（二）材料用具

实验材料：新鲜的绿叶（菠菜、小白菜、韭菜等），无水乙醇，层析液，二氧化硅，碳酸钙粉末，盖玻片，木质牙签白粉笔，干燥的定性滤纸，干燥的圆形滤纸，尼龙布。

实验仪器：榨汁机，玻璃漏斗，毛细吸管，药勺，量筒，天平，试管，棉塞，大小培养皿，圆规，笔帽，火柴，烧杯，试管架，研钵，剪刀，毛笔。

三、实验过程

（一）学生对色素提取材料的改进

称取一定量的新鲜绿叶，剪碎，置于榨汁机的容器内。实验中使用的绿叶不仅有传统的菠菜叶片，同时准备韭菜等几种富含叶绿素的叶片，供学生选择，以便形成实验对照。

（二）学生对色素提取方法的改进

利用榨汁机代替研钵。将剪碎的叶片加入榨汁机，同时加入少量碳酸钙粉末和适量的无水乙醇，无水乙醇需要没及叶片，然后启动机器，对叶片进行粉碎。

将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中（漏斗的基部放一块单层的尼龙布）进行过滤。用试管收集滤液，并且及时使用棉塞将试管口塞严。

（三）学生对色素分离方法的改进

纸层析法：

1. 将干燥的定性滤纸，用剪刀剪成长条形，将滤纸条的一段减去两角，并在距离这一端1cm处使用铅笔画一条细细的横线。

2. 用盖玻片均匀蘸取少量绿叶，并置于所画的横线上，待滤液干后，再重复两到三次。

3. 烧杯中液倒入适量的层析。圆形滤纸中间剪开一条略宽于滤纸条宽度的小口，圆形滤纸盖在烧杯上。滤纸条从圆形滤纸上端插入烧杯中，下端轻轻插入层析液，注意绝对不能让画滤液的细线触及层析液。

4. 待四种色素分开后取下，晾干。

白粉笔层析法：

1. 将白色粉笔置于酒精灯上烘烤，待烘干冷却后使用。

2. 在粉笔粗端距离底部1.5cm处，用铅笔沿粉笔画一个圆形环。

3. 粉笔横放，用细毛笔尖端蘸取叶绿素，沿钱币环线画叶绿色线，环线尽量保持细，待干后，再次画线，反复进行5—6次，晾干。

4. 烧杯中放置1cm高的层析液，将粉笔粗端放入层析液中。

5. 几分钟后，色素随层析液上升，待四种色素完全分开。取出粉笔，晾干。

圆形滤纸层析法：

1. 用直尺画线，找到圆形滤纸圆心，用圆规画出几个不同大小的圆。

2. 用火柴杆刺破圆心，调整火柴杆长度。当圆形滤纸放到小培养皿上，火柴杆的一侧与滤纸平齐，另一侧火柴杆刚刚触及培养皿底部层析液。

3. 使用边缘较薄的笔帽，蘸取色素提取液，以画好的圆为参照物，在滤纸中心扣上圆环。待干燥后，重复进行上述操作3—5次。

4. 插入火柴杆，将长的一段插入层析液中。盖上大培养皿。

5. 当四种色素完全分离，取出滤纸，晾干。

四、结论与建议

（一）研究结论

教材中色素提取与分离实验，经常出现实验操作烦琐、现象不明显等缺点。对实验深入了解之后，发现有很多可以提高实验效率和效果的方法。基于STEAM理念，集思广益，查阅各种可以改进实验的方法。例如学生提出，韭菜等一些植物的叶绿素含量更高、榨汁机工作效率高以及不同的分离色素的方法等。实验过程，不但提高了学生的思维能力、查阅资料的能力，还能锻炼学生的实验操作能力以及作品的鉴赏能力。

本实验不仅可以在课堂中进行，更可以延伸到课外，甚至可以作为家庭亲子活动。有的学生将自己提取的色素直接作为家庭食品添加剂，如用于制作面食等，可以做出五颜六色的食品，安全又环保。将知识应用于实践，形成与时俱进的思维。有的学生将自己获得的圆形层析滤纸做书签，也有的学生将层析后的粉笔放在透明管里，用来欣赏。本实验改进后能够完美完成课本实验，又不拘泥于课本。这不但提高了教师教学效果和学生学习兴趣，更提高了学生发现美、创造美的能力，从而提高学生的审美情趣。

（二）研究建议

生物是一门以实验现象为研究对象的自然科学。随着教改的不断深入，生物学科的教学任务已不再局限于常规的知识与技能的掌握，更注重锻炼学生的思维方法，从而促进学生的全面发展，实现提升学生生物核心素养的目的。叶绿色提取与分离实验，是高中生物实验中的一个经典实验，是建立在前辈们大量实验基础上总结出来的，对教师的教学和学生的学习有着重要的指导作用。通过学习本实验，学生能进一步了解植物光合作用相关色素的知识内容，同时也能科学了解生活中的光合作用现象，有着深刻的教育意义。作为一线生物教师，不能机械性教学，实验改进和创新是必不可少的。在不断的研究、改进和创新过程中，让学生掌握知识与技能，融入情感态度和价值观，充分实现生物学科的科学素养。因此，教师要处理好课本知识和创新发展之间的关系，要立足于经典实验，开展创新实验，让学生开拓思维，从知识、技能、方法、思维等各方面得以全面提高，充分体现学生为中心的生物学科核心素养的功能与价值。

参考文献：

［1］姚斓，董娜，郝立华.“叶绿体色素提取与分离实验”类胡萝卜素色素带成分分析［J］.生物学教学，2021（12）.

［2］马小明.“绿叶中色素的提取和分离”实验改进的文献综述［J］.教育与装备研究，2021（09）.

［3］彭玉娇，刘碧泉，赵怀勇，朱玲明，张艳华，伏劲松.粉笔分离菠菜色素实验条件优化［J］.化学教育（中英文），2021（13）.

［4］何通彦.对实验《绿叶中色素的提取和分离》的思考与改进［J］.课外阅读旬刊，2011（06）.