摘要:在“叶绿体色素的提取分离及叶绿素含量的测定”这一实验教学过程中，引导学生自主确定研究主题并设计实验方案，通过定性观察和定量测量的技术手段，培养学生解释自然现象和解决真实问题的能力。
关键词:叶绿体色素；提取分离；探究实验；教学设计
“叶绿体色素的提取分离及叶绿素含量的测定”是沪科版高中生物学教材(2019)版必修1《分子与细胞》中的一个学生实验。教材在传统的叶绿素提取分离基础上，增加了新老叶片叶绿素含量的比较分析。通过本节实验课，学生学会脂溶性色素的提取和分离，以及定量测量叶绿素含量的方法，既加深对色素的感性认识，使学生从量的角度加深对植物叶片结构与功能关系的认识，也能进一步强化定量研究的思想，并为后续学习光合作用的过程做好铺垫。虽然此前学生已经学习了叶绿体色素的存在场所、分类及其特性，已具备了使用分光光度计测定细胞内水溶性物质含量的能力，但是在一课时内完成包括探究实验设计在内的全部内容有一定困难。如何合理安排学习内容，在落实规定实验内容的基础上，增加实验的探究性，提高学生的知识和技术应用能力，是本实验教学设计要研究的问题。混合式教学是解决探究式实验教学课时不足的有效途径。
1课前完善探究方案
实验前学习任务，要求学生通过观看小视频了解植物叶绿体色素分离鉴定及定量测定的原理和方法，提出学生应用该方法设计可探究的问题及方案。
1．1线上学习了解技术方法
本实验是一个注重操作性的实验，实验过程大致可以分为“提取—分离—测定”三个步骤，对学生操作的时间要求非常高。若是教师在课上一一展示操作步骤，则需耗费较多时间，且不好把控。此外，学生设计探究实验方案，其实验原理和技术路线是重要的基础。因此，本节课通过教师前期录制操作视频，将该实验的“提取—分离—测定”三个步骤精剪成三个时长为一分半钟左右的微视频，总时长不超过六分钟。学生在课前在线观看该视频，教师在课堂上提问并回顾关键步骤，这样大大地缩短了课上演示的时间，从而便于后续充分地展开自主探究和讨论。
1．2小组合作，确定研究主题
秋季，校园里的许多植物叶片开始从绿色渐变为黄色。学生在学习完叶绿体中色素的存在场所、吸光特性等知识后，自然而然会对叶片颜色变化的原因有了自己的猜想。那么是否可以通过一些实验的技术手段来验证他们的假设呢?“叶绿体色素的提取分离及叶绿素含量的测定”这一实验的开展给他们的问题探究提供了一定的可行性。因此，课前布置任务，学生自由分组，根据想要研究的问题自主设计实验方案，教师提供指导性建议。在教学过程中，发现学生能够自主提出非常多的研究课题，例如:探究校园中同种植物的黄色叶片和绿色叶片中色素含量的比较;探究校园同种植物不同时期新叶、老叶的叶绿素含量的关系;探究金边冬青卫矛同一叶片中“金边”与“绿色”部分色素的差异……部分学生还通过事先预习实验，联想到茶叶的制备也是经过了烘干的工艺，从而提出了“探究不同种类茶叶中叶绿素含量的比较”的课题。
1．3通过前期准备缩短课堂耗时
本实验可以提前做好的前期准备有:①采集并烘干实验材料:学生根据确定的研究主题，可以事先在校园里采集想要研究的实验材料，并提前24小时进行烘干处理。部分学生的处理如表1所示。②提前设计实验数据表格:为了能够在课堂上直接得出实验数据的处理结果并进行分析，教师可以指导学生提前利用Excel设计好表格，并且设置好相应公式和图表。在实验课上学生可以直接在表格中输入色素提取液在665nm和649nm波长处的吸光度，然后利用Excel公式直接计算出稀释液和原液中叶绿素a和叶绿素b的含量及比例，便于学生比较分析。
2课中分工合作，小组交流探究结果
2．1通过小组分工完成合作探究
由于单组实验操作的数据可能会有误差，所以采用每一大组的四个小组共同合作研究同一种实验材料，起到平行重复的作用，提升数据的准确性。各组学生参照教材提供的叶绿体色素萃取、分离鉴定和定量测定方法，完成对各自材料的处理。为减小误差，同组互为对照样品的聚酰胺薄膜，放置在同一层析缸中同时层析，便于对比观察实验结果。本实验的聚酰胺薄膜的层析法需要等待10—15min，耗时较长，教师需要合理安排实验进度。例如减少实验讲解时间，通过提问引导学生回顾课前的视频学习，通过提示强调实验安全和操作难点，在等待层析结果的时间段同步完成分光光度计测定叶绿素含量等。
2．2分析数据，小组交流讨论
本节课是学生基于教材已有的实验技术手段，提出并尝试解决问题的探究实验，其内容与教材不完全相同。在各小组完成操作及数据处理后，选派代表展示实验结果，阐述实验结论。部分小组的交流如下。(1)校园中同一植物不同颜色叶片叶绿体色素比较第1课题组学生选用校园中栀子的黄色叶片和绿色叶片开展了研究，小组通过对叶片中叶绿体色素的定性和定量比较分析，证明栀子叶片变黄与叶绿体色素之间的关系。结果显示:绿色叶片呈现4中色素，叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和类胡萝卜素;黄色叶片的类胡萝卜素含量与绿色叶片较接近，但叶绿素a和b条带很浅，含量明显低于绿色叶片。由此现象学生初步得出结论:秋天叶色的变黄可能是由于叶绿素的减少导致叶片显现出黄色，而非类胡萝卜素的含量增加。定量检测结果显示:同一植株栀子的黄色叶片的叶绿素含量明显低于绿色叶片(表2)。综合定性和定量实验结果，第1组学生推断:植物叶片由绿转黄是一个衰老过程，此时叶绿体色素发生改变，大量叶绿素降解，光合作用功能降低，叶片颜色也随之发生改变。叶片衰老过程中，类胡萝卜素含量没有大的变化。(2)不同品种绿茶的叶绿体色素的比较。学生联系生活经验，好奇经过杀青、定型、烘干等工艺加工后的绿茶茶叶是否可以用于植物叶绿体色素分离提取实验。学生选择了竹叶青和毛尖两种绿茶开展了实验探究。对竹叶青和毛尖两种茶叶的色素提取液进行聚酰胺薄膜层析，发现层析能显示4条色素条带，但整体颜色较浅。叶绿素含量测定结果显示(表3)，两种茶叶叶绿素含量都明显低于栀子绿叶。其中毛尖的叶绿素含量低于竹叶青。由此学生的推断是:绿茶的加工过程对叶绿体色素有一定的破坏，制作后的茶叶不适宜做叶绿体色素提取分离的实验材料。毛尖叶绿素含量低于竹叶青，可能与毛尖是由茶树嫩芽制作有关，通常植物嫩芽叶绿素含量低于成熟叶片。
3实验教学反思
实验教学是生物学课程的特点，是生物学教学的基本形式之一，也是落实生物学核心素养的重要支撑。普通高中生物学课程标准中指出应鼓励学生参与设计实验。因此本设计源于学生在生活中的思考，由于本节课的教学进度正好是在秋季，结合校园中的叶色由绿到黄的变化，激发学生从生活中发现问题并解决问题的兴趣和能力。学生在自主采集植物、设计并进行实验探究的过程中，充分发挥了主观能动性。例如在前期准备有部分学生曾将金边冬青卫矛的金边部分和绿色叶肉部分分离，探究同一叶片不同部位的色素含量，但是在预实验过程中发现要将金边和绿色部分进行精准分离有一定的难度，可能会导致实验结果有一定的偏差。学生通过本节课掌握了色素的提取、分离和测定的技术方法，并通过小组合作开展探究，科学地记录、处理实验数据，能用图表等形式定量表述实验结果，在此过程中更好地理解了生命进程、生物结构与功能的关系。
作者:赵怡姗 单位:上海交通大学附属中学