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视频课题：第五届全国高中生物实验教学微课视频录像《绿叶中色素的提取和分离》实验改进及拓展-广西桂林
教学设计、课堂实录及教案：第五届全国高中生物实验教学微课视频录像《绿叶中色素的提取和分离》实验改进及拓展-广西桂林市桂林中学高中生物
人教版 高中生物 《必修1》第五章第四节
“绿叶中色素的提取和分离”实验的改进与拓展 教学设计
广西桂林市桂林中学 廖永梅
一、教材分析
本实验是人教版高中生物必修1《分子与细胞》第5章第4节《能量之源──光与光合作用》学生实验。叶绿体是植物光合作用的场所，做好叶绿体中色素的提取和分离实验，有助于学生了解光合色素的种类和作用，是对第3章细胞结构知识的提升，是学习光合作用原理和应用的基础。按课标安排1课时。
二、学情分析
学生在初中已学习了光合作用的有关知识。在前面第3章学习了细胞结构，知道叶绿体是进行光合作用的场所，对叶绿体中色素对光合作用的贡献有浓厚的探究兴趣。在实验操作方面，学生能进行研磨和过滤等操作，但纸层析法是首次接触，需要教师给予直观正确的操作和示范，才能熟练掌握。本节课还涉及到许多理化知识，如光的色散现象和色素的吸收光谱，学生理解有一定困难。
三、教学目标（学生达成的学习目标）
1.知识目标：（1）能概述绿叶中色素提取和分离的原理及方法
（2）明确光合色素的分布和种类
（3）理解不同色素能够吸收不同色光
2.能力目标：（1）能独立完成植物中色素的提取和分离实验
（2）能针对实验提出相关问题，设计并实施方案，完成探究过程
3.情感态度与价值观目标：
（1）体会科学方法的应用是探究的利器
（2）感悟探究过程，享受探究的乐趣
四、学法指导：合作学习、探究学习。
五、教学重点：色素的提取和分离；色素吸收光谱的观察与分析。
六、教学难点：色素提取液的画线；光合色素吸收光谱的理解。
七、教学设计理念（依据）
1.布卢姆“认知、技能、情感”三个目标领域，预期学生的学习结果。
2.皮亚杰的“建构主义”教学理论；
3.美国行为心理学家马杰关于教学设计的模式，解决三个问题：
①把学生带到哪里？②怎样把学生带到那里？③如何确信已经把学生带到那里？
4.新课标的四大理念和高考大纲的“四大能力要求”实施有效教学。
八、实验教学设计思路
九、实验教学内容
实验器材:
1.研钵、天平、剪刀、玻璃漏斗、尼龙布、50mL锥形瓶、玻璃棒、试管、保鲜膜、试管架、药勺、10mL量筒、滤纸条、毛细吸管、250mL烧杯、硬纸盖、铅毛、尺子、超声波清洗机、头灯、铁架台、比色皿、泡沫台、光盘、镊子、滴管瓶。
2.无水乙醇、石油醚、丙酮、苯、碳酸钙、二氧化硅。
3.新鲜菠菜等。
（一）原课本实验分析：课本实验涉及4种试剂：无水乙醇、CaCO3、SiO2、层析液；5个步骤：称量→剪碎→研磨→过滤→层析。其过程繁琐，操作耗时，实验中研磨的程度不易把握。色素提取液浓度不够，层析效果不明显。课本实验注重了技能的训练，忽视了探究性思维的培养。
（二）实验的四点改进或创新
1. 创新一：优化提取过程:超声波提取法
使用超声波清洗机，加速破坏叶肉细胞膜和双层叶绿体膜，利于色素提取。改进后的操作为：研磨1分钟→超声波处理3-5分钟。不需添加二氧化硅和无水乙醇，超声波具有加速颗粒沉降作用，提取液不需过滤，有效的实现了：简化程序，节省试剂，节约时间，提高效率；并且扩大了选材范围。
图一 超声波清洗机 图二 研磨法 超声波提取法
2. 创新二：改进层析细节:悬挂式纸层析
教材中采用烧杯和培养皿的方式，简便易行；缺点是滤纸层析后会变软，易发生相互接触或贴壁，再加盖培养皿时也容易导致滤纸条移位，影响层析的效果。针对这些实际情况，学生利用废弃硬纸片，裁剪成大于烧杯口径的纸盖，上面开多条狭缝，将滤纸插入小缝，进行悬挂式层析。有效解决以上困惑，且易得到平行色素带。
以上两项改进，使实验更加便捷、顺利！应用超声波提取法，层析后的4条色素带非常明显。进一步体现了超声波提取法的优势。
图三 图四
3. 创新三：自制分光装置，探究光谱吸收
通过色素的提取和分离，学生对绿叶中光合色素的种类、含量、颜色有了一定了解，但是还不能认同色素吸收光能的事实，如何能直接看到色素吸收光谱的事实？教材中提到用三棱镜将白光分成单色光，马上有学生想到平常见到的光盘也能出现“彩虹”，岂不是也可以分光！他们找来光盘，把太阳光反射到白色墙壁上，分出的七色光比较弱，不规则。为了方便观察，学生找到铁架台，又想到家中所用的头灯非常明亮，于是把头灯固定在铁架台上，把光盘斜插在废弃泡沫板上，调整角度，拉上窗帘，七色光非常清晰。分光的问题解决了！我们把提取液装入试管，把试管移到光源前面，希望看到相应色光被吸收的现象，遗憾的是无论怎么调整角度，哪怕装入的是清水，要么离光源太近，光发散绕过试管，墙上的七色光全部没有变化；要么离光源稍远，形成一条黑影，都不能看到红光和蓝紫光单独被吸收的现象。经过教师查阅资料，引导学生用比色皿装溶液查看吸光情况，问题得到圆满解决！
吸光结果展示：两只比色皿，左边装的是无水乙醇，右边是色素提取液，通过对比，学生很容易得出，色素主要吸收红光和蓝紫光这个结论。
图五 自制分光装置 图六 色素吸光结果
4．创新四：拓展问题探究，培养探究能力
探究1：探究胡萝卜中色素的种类及光谱吸收情况
因胡萝卜较硬，先用搅碎机打成小颗粒。用石油醚进行超声波提取。
图七 胡萝卜中色素与绿叶中色素层析的结果比较
图八 胡萝卜中色素与绿叶中色素的吸光情况
实验结果：胡萝卜提取液中只含有胡萝卜素，胡萝卜素主要吸收蓝紫光。推测：叶绿素吸收红光。
探究2：探究叶绿素的光谱吸收情况
资料：酸性条件下，叶绿素易受破坏，从而失去功能。
实验设计：
实验结果：
图九 图十
结论：叶绿素可以吸收红光。
观察分析：色素的荧光现象
图十一 图十二
使用头灯时，同学们发现，光直射提取液时，溶液呈绿色，反射时，看到是棕红色。对于叶绿素的这种荧光现象，教师没有直接给出答案，鼓励学生查阅资料，解释机理，并对全班汇报说明。
十、实验教学过程
上课，同学们好！
直接引入：今天我们来学习必修一第5章第四节光与光合作用，绿叶中色素的提取和分离,实验的改进及拓展。首先，一起来回顾实验的原理：
提取的原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，可用无水乙醇提取绿叶中的色素。
分离的原理：不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，溶解度低的扩散得慢，从而把不同色素分离开。
师：用什么方法来提取色素呢？
生1：我们组用的是研磨法。采用了无水乙醇、二氧化硅、碳酸钙，操作过程为：称量-剪碎-研磨-过滤。
师：其他组都是用研磨法吗？
生2：我们组用的是超声波提取法，不需要加入二氧化硅，只需要轻微研磨30秒，打开开关，超声波处理3至5分钟，就可以倒出提出液，不需要过滤。操作简单方便。
师：超声波真的能提高绿叶中色素的提取浓度吗？你们是如何开展研究的？
生2： 我们首先假设：超声波能提高绿叶中色素的提取浓度。
师：如何证明这个假设是否正确？你们的设计思路是？
生2：设计了两组对照实验：一组研磨法；一组超声波提取法。
师：根据你们的设计思路，其他同学想一想，可能有几种实验结果？
生3：3种吧。如果A组比B组浓，说明研磨法好；如果B组比A组浓，说明超声波提取法好；如果A、B组差不多，说明两种方法效果一样。
师：到底哪一种预测符合实际情况呢？让我们开始实验，寻找答案吧！
（教师下来巡视和指导！）
（1）对照组：称量－剪碎－研磨－过滤；
（2）实验组：称量－剪碎－超声波
大部分组都做得差不多了，教师拿起两组溶液的试管放在大家前面对比。
师：同学们都完成了实验，看，哪支试管色素更浓？
同学答：左边那支！
师：嗯，这是超声波的提取液，看来，第二个预测符合实际情况，假设正确。知道了超声波能提高色素提取浓度，有同学还探究提高绿叶中色素提取浓度的最适功率。有请生4。
生4：首先，我们用的超声波清洗机，它的功率是200W，功率使用可以从40%到100%调节，于是我们将课本实验，设置了7个组，用不同功率的超声波提取，但是提取液没有明显的区别，都比较浓。我们很疑惑，什么原因呢？你们觉得是什么原因？
生5：可能是叶片太多了，色素浓度大，所以颜色没什么区别。
生4：我们也分析到这点，降低了叶片质量，从5克改为1克，继续做实验。（PPT呈现图片）现象很明显，功率越大，色素浓度越大。这就是我们组探究出的结论！
师：这个组的研究很细致，很严谨啊！感谢分享。
师：色素提取好了，我们接着分离色素。对于课本的纸层析，兴趣小组也做了一点改进。
各小组开始划滤液细线，层析！
（1）普通用培养皿盖进行层析
（2）悬挂式纸层析
师：为什么改进后效果更好？
生6：我们做实验时发现，用培养皿盖在烧杯上层析，滤纸条很容易贴在烧杯壁上，滤纸条之间也很容易重叠在一起，影响效果。我们把硬纸片剪成烧杯的盖子，上面用小刀划一些小孔，把滤纸条像这样放进去，可以进行悬挂式层析，还可以随时取出来，很方便！这就是我们组的一点改进！
师：讲得非常好！这个小细节的改进非常有用！我们看到，绿叶中一共有几种色素啊？
学生齐答：4种！
师：从上至下，分别是？
学生齐答：胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b
同时，我们也发现，超声波提取法得到的提取液确实色素含量更高！
师：我们知道，色素吸收光能，不同的色素吸收不同的色光，如何来确定绿叶中色素具体吸收什么类型的色光呢？有请我们的发明家闪亮登场！
生7：（拿出装置，介绍装置组成。）我们这个装置，利用了铁架台，头灯、光盘，废弃的泡沫板来制作的，打开头灯，光经过光盘，可以分出七色光，把色素提取液放进比色皿，（放在光源前面）大家仔细观察，跟不放有什么区别？
生8：有些地方变暗了。
生7：红光和蓝紫光的地方变暗了！
师：是什么原因？
生9：可能色素吸收了红光和蓝紫光啊
师：有没有可能是乙醇吸收了红光和蓝紫光？如何证明？
生10：再加一个乙醇的对照组看看！
生7：哈哈，我们也想到了！（把无水乙醇组放进去，对比！）
生7：同学们看，无水乙醇组没有变暗，色素提取液组的红光和蓝紫光被吸收了，说明色素主要吸收红光和蓝紫光！这就是我们小组和老师一起发明的分光装置。
师：感谢发明家的分享！让我们直接看到了色素吸收光谱的变化，有助于理解色素的主要功能。
师：我们知道不同的有颜色的生物组织中都含有色素，有同学用超声波提取法，从胡萝卜中也得到了一些提取液，想不想知道，里面含有什么色素啊？（想！）可能有什么色素？（胡萝卜素！）用什么方法证明？
生11：纸层析试试看！
师：来，请大家把胡萝卜提取液进行纸层析。
师：层析结果怎么样？请生11展示。
生11：（展示层析纸结果）通过对比，可以知道，胡萝卜中含有胡萝卜素，无叶绿素。
师：同学们，要不要看一下胡萝卜素吸收什么光？来，你给大家演示下吧！
生11演示分光，指着白板上的分光情况，分析实验，得出结论：胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
师：既然胡萝卜素主要吸收蓝紫光，那红光是哪种色素吸收的呢？
生12：叶绿素吧
师：对，科学家发现叶黄素也主要吸收蓝紫光，推测，红光就是由叶绿素吸收的。
师：现在，让我们来探究叶绿素的吸光情况吧！要从绿叶中分离纯的叶绿素，不太容易啊。先看资料！请同学思考，如何设计实验，来探究叶绿素的光谱吸收情况呢？
师:生13,你们组准备怎么做?
生13 我们设计了两组,一个不加盐酸的提取液作为对照组,一个加盐酸的作为实验组。
师：好！其他组也是这个设计吗？（齐答：是的）那你们组来操作，看一看实验结果。
生13演示：两支试管，一支加盐酸，一支不加，振荡一下，走下来给前两排的同学看，问：大家看，有什么改变？
生14：变黄了！
生13：溶液由绿色变成了棕黄色！
生13给大家演示下吸光情况。把加了HCL的和不加HCL的进行分光！
生13：（指着白板上的分光）不加盐酸组，红光和蓝紫光都被吸收了，加盐酸组红光没有被吸收！通过资料，我们知道，加盐酸主要是破坏叶绿素，叶绿素被破坏了，红光不能被吸收，间接说明，叶绿素可以吸收红光。
师：分析很准确！科学研究还表明，叶绿素也吸收蓝紫光！
因此，结合这两个探究，可以发现，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，叶绿素主要吸收红光和蓝紫光。
师： 哎，有一个组还跃跃欲试，看来还有一些发现，来，生15说说你们还有什么发现？
生15：我们有一个发现，让我变给你们看！上来讲台，拿头灯对着色素提取液直射，问：什么颜色？---绿色！拿头灯反射，问：什么颜色？---棕红色！
生15：很神奇吧！角度不一样，颜色不一样哦！我们查阅资料，发现这种就叫做叶绿素的荧光现象。由于叶绿素提取液吸收的绿光最少，因此我们用肉眼看到是绿色。叶绿素分子吸收光能后，就由能量较低的稳定状态提高到能量较高的不稳定状态，这种状态是激发态，激发态不稳定，叶绿素就会将能量以红光的形式发射出来，因此我们就会看到红光。
师：解释得很透彻！非常棒！
实验进行到这里，相信同学们都掌握了绿叶中色素提取、分离的原理和方法，其中超声波提取法和悬挂式纸层析优化了提取过程，改进了层析的细节，并且还有分光装置的发明，利用这些装置，同学们还进行了一系列有意义的探究实验，希望同学们在今后的学习过程中，继续保持这份探究的热情，再接再厉，争取更大的发现！
本节课就上到这里！下课，同学们再见！
十一、教学设计反思与自我评价
1．超声波提取法的应用简化了实验操作，节省了试剂和时间，为后续的探究奠定了基础。
2．光盘自制分光器的发明，使学生直观的看到了色素吸光光谱的变化，有助于学生理解实证在科学研究中的重要意义。
3．学生能够利用超声波提取法和光盘自制分光装置，自主进行实验设计，实施实验方案，交流展示研究成果，这些过程锻炼了学生的语言表达能力，合作探究能力，知识迁移的能力，提高了学生的生物科学素养，体现了自主、合作、探究的新课标理念。
作者:廖永梅
单位:广西桂林市桂林中学
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