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視頻課題：第五屆全國高中生物實驗教學微課視頻錄像《綠葉中色素的提取和分離》實驗改進及拓展-廣西桂林
教學設計、課堂實錄及教案：第五屆全國高中生物實驗教學微課視頻錄像《綠葉中色素的提取和分離》實驗改進及拓展-廣西桂林市桂林中學高中生物
人教版 高中生物 《必修1》第五章第四節
“綠葉中色素的提取和分離”實驗的改進與拓展 教學設計
廣西桂林市桂林中學 廖永梅
一、教材分析
本實驗是人教版高中生物必修1《分子與細胞》第5章第4節《能量之源──光與光合作用》學生實驗。葉綠體是植物光合作用的場所，做好葉綠體中色素的提取和分離實驗，有助于學生了解光合色素的種類和作用，是對第3章細胞結構知識的提升，是學習光合作用原理和應用的基礎。按課標安排1課時。
二、學情分析
學生在初中已學習了光合作用的有關知識。在前面第3章學習了細胞結構，知道葉綠體是進行光合作用的場所，對葉綠體中色素對光合作用的貢獻有濃厚的探究興趣。在實驗操作方面，學生能進行研磨和過濾等操作，但紙層析法是首次接觸，需要教師給予直觀正確的操作和示范，才能熟練掌握。本節課還涉及到許多理化知識，如光的色散現象和色素的吸收光譜，學生理解有一定困難。
三、教學目標（學生達成的學習目標）
1.知識目標：（1）能概述綠葉中色素提取和分離的原理及方法
（2）明確光合色素的分布和種類
（3）理解不同色素能夠吸收不同色光
2.能力目標：（1）能獨立完成植物中色素的提取和分離實驗
（2）能針對實驗提出相關問題，設計并實施方案，完成探究過程
3.情感態度與價值觀目標：
（1）體會科學方法的應用是探究的利器
（2）感悟探究過程，享受探究的樂趣
四、學法指導：合作學習、探究學習。
五、教學重點：色素的提取和分離；色素吸收光譜的觀察與分析。
六、教學難點：色素提取液的畫線；光合色素吸收光譜的理解。
七、教學設計理念（依據）
1.布盧姆“認知、技能、情感”三個目標領域，預期學生的學習結果。
2.皮亞杰的“建構主義”教學理論；
3.美國行為心理學家馬杰關于教學設計的模式，解決三個問題：
①把學生帶到哪里？②怎樣把學生帶到那里？③如何確信已經把學生帶到那里？
4.新課標的四大理念和高考大綱的“四大能力要求”實施有效教學。
八、實驗教學設計思路
九、實驗教學內容
實驗器材:
1.研缽、天平、剪刀、玻璃漏斗、尼龍布、50mL錐形瓶、玻璃棒、試管、保鮮膜、試管架、藥勺、10mL量筒、濾紙條、毛細吸管、250mL燒杯、硬紙蓋、鉛毛、尺子、超聲波清洗機、頭燈、鐵架臺、比色皿、泡沫臺、光盤、鑷子、滴管瓶。
2.無水乙醇、石油醚、丙酮、苯、碳酸鈣、二氧化硅。
3.新鮮菠菜等。
（一）原課本實驗分析：課本實驗涉及4種試劑：無水乙醇、CaCO3、SiO2、層析液；5個步驟：稱量→剪碎→研磨→過濾→層析。其過程繁瑣，操作耗時，實驗中研磨的程度不易把握。色素提取液濃度不夠，層析效果不明顯。課本實驗注重了技能的訓練，忽視了探究性思維的培養。
（二）實驗的四點改進或創新
1. 創新一：優化提取過程:超聲波提取法
使用超聲波清洗機，加速破壞葉肉細胞膜和雙層葉綠體膜，利于色素提取。改進后的操作為：研磨1分鐘→超聲波處理3-5分鐘。不需添加二氧化硅和無水乙醇，超聲波具有加速顆粒沉降作用，提取液不需過濾，有效的實現了：簡化程序，節省試劑，節約時間，提高效率；并且擴大了選材范圍。
圖一 超聲波清洗機 圖二 研磨法 超聲波提取法
2. 創新二：改進層析細節:懸掛式紙層析
教材中采用燒杯和培養皿的方式，簡便易行；缺點是濾紙層析后會變軟，易發生相互接觸或貼壁，再加蓋培養皿時也容易導致濾紙條移位，影響層析的效果。針對這些實際情況，學生利用廢棄硬紙片，裁剪成大于燒杯口徑的紙蓋，上面開多條狹縫，將濾紙插入小縫，進行懸掛式層析。有效解決以上困惑，且易得到平行色素帶。
以上兩項改進，使實驗更加便捷、順利！應用超聲波提取法，層析后的4條色素帶非常明顯。進一步體現了超聲波提取法的優勢。
圖三 圖四
3. 創新三：自制分光裝置，探究光譜吸收
通過色素的提取和分離，學生對綠葉中光合色素的種類、含量、顏色有了一定了解，但是還不能認同色素吸收光能的事實，如何能直接看到色素吸收光譜的事實？教材中提到用三棱鏡將白光分成單色光，馬上有學生想到平常見到的光盤也能出現“彩虹”，豈不是也可以分光！他們找來光盤，把太陽光反射到白色墻壁上，分出的七色光比較弱，不規則。為了方便觀察，學生找到鐵架臺，又想到家中所用的頭燈非常明亮，于是把頭燈固定在鐵架臺上，把光盤斜插在廢棄泡沫板上，調整角度，拉上窗簾，七色光非常清晰。分光的問題解決了！我們把提取液裝入試管，把試管移到光源前面，希望看到相應色光被吸收的現象，遺憾的是無論怎么調整角度，哪怕裝入的是清水，要么離光源太近，光發散繞過試管，墻上的七色光全部沒有變化；要么離光源稍遠，形成一條黑影，都不能看到紅光和藍紫光單獨被吸收的現象。經過教師查閱資料，引導學生用比色皿裝溶液查看吸光情況，問題得到圓滿解決！
吸光結果展示：兩只比色皿，左邊裝的是無水乙醇，右邊是色素提取液，通過對比，學生很容易得出，色素主要吸收紅光和藍紫光這個結論。
圖五 自制分光裝置 圖六 色素吸光結果
4．創新四：拓展問題探究，培養探究能力
探究1：探究胡蘿卜中色素的種類及光譜吸收情況
因胡蘿卜較硬，先用攪碎機打成小顆粒。用石油醚進行超聲波提取。
圖七 胡蘿卜中色素與綠葉中色素層析的結果比較
圖八 胡蘿卜中色素與綠葉中色素的吸光情況
實驗結果：胡蘿卜提取液中只含有胡蘿卜素，胡蘿卜素主要吸收藍紫光。推測：葉綠素吸收紅光。
探究2：探究葉綠素的光譜吸收情況
資料：酸性條件下，葉綠素易受破壞，從而失去功能。
實驗設計：
實驗結果：
圖九 圖十
結論：葉綠素可以吸收紅光。
觀察分析：色素的熒光現象
圖十一 圖十二
使用頭燈時，同學們發現，光直射提取液時，溶液呈綠色，反射時，看到是棕紅色。對于葉綠素的這種熒光現象，教師沒有直接給出答案，鼓勵學生查閱資料，解釋機理，并對全班匯報說明。
十、實驗教學過程
上課，同學們好！
直接引入：今天我們來學習必修一第5章第四節光與光合作用，綠葉中色素的提取和分離,實驗的改進及拓展。首先，一起來回顧實驗的原理：
提取的原理：綠葉中的色素能夠溶解在有機溶劑無水乙醇中，可用無水乙醇提取綠葉中的色素。
分離的原理：不同色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散得快，溶解度低的擴散得慢，從而把不同色素分離開。
師：用什么方法來提取色素呢？
生1：我們組用的是研磨法。采用了無水乙醇、二氧化硅、碳酸鈣，操作過程為：稱量-剪碎-研磨-過濾。
師：其他組都是用研磨法嗎？
生2：我們組用的是超聲波提取法，不需要加入二氧化硅，只需要輕微研磨30秒，打開開關，超聲波處理3至5分鐘，就可以倒出提出液，不需要過濾。操作簡單方便。
師：超聲波真的能提高綠葉中色素的提取濃度嗎？你們是如何開展研究的？
生2： 我們首先假設：超聲波能提高綠葉中色素的提取濃度。
師：如何證明這個假設是否正確？你們的設計思路是？
生2：設計了兩組對照實驗：一組研磨法；一組超聲波提取法。
師：根據你們的設計思路，其他同學想一想，可能有幾種實驗結果？
生3：3種吧。如果A組比B組濃，說明研磨法好；如果B組比A組濃，說明超聲波提取法好；如果A、B組差不多，說明兩種方法效果一樣。
師：到底哪一種預測符合實際情況呢？讓我們開始實驗，尋找答案吧！
（教師下來巡視和指導！）
（1）對照組：稱量－剪碎－研磨－過濾；
（2）實驗組：稱量－剪碎－超聲波
大部分組都做得差不多了，教師拿起兩組溶液的試管放在大家前面對比。
師：同學們都完成了實驗，看，哪支試管色素更濃？
同學答：左邊那支！
師：嗯，這是超聲波的提取液，看來，第二個預測符合實際情況，假設正確。知道了超聲波能提高色素提取濃度，有同學還探究提高綠葉中色素提取濃度的最適功率。有請生4。
生4：首先，我們用的超聲波清洗機，它的功率是200W，功率使用可以從40%到100%調節，于是我們將課本實驗，設置了7個組，用不同功率的超聲波提取，但是提取液沒有明顯的區別，都比較濃。我們很疑惑，什么原因呢？你們覺得是什么原因？
生5：可能是葉片太多了，色素濃度大，所以顏色沒什么區別。
生4：我們也分析到這點，降低了葉片質量，從5克改為1克，繼續做實驗。（PPT呈現圖片）現象很明顯，功率越大，色素濃度越大。這就是我們組探究出的結論！
師：這個組的研究很細致，很嚴謹啊！感謝分享。
師：色素提取好了，我們接著分離色素。對于課本的紙層析，興趣小組也做了一點改進。
各小組開始劃濾液細線，層析！
（1）普通用培養皿蓋進行層析
（2）懸掛式紙層析
師：為什么改進后效果更好？
生6：我們做實驗時發現，用培養皿蓋在燒杯上層析，濾紙條很容易貼在燒杯壁上，濾紙條之間也很容易重疊在一起，影響效果。我們把硬紙片剪成燒杯的蓋子，上面用小刀劃一些小孔，把濾紙條像這樣放進去，可以進行懸掛式層析，還可以隨時取出來，很方便！這就是我們組的一點改進！
師：講得非常好！這個小細節的改進非常有用！我們看到，綠葉中一共有幾種色素啊？
學生齊答：4種！
師：從上至下，分別是？
學生齊答：胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a、葉綠素b
同時，我們也發現，超聲波提取法得到的提取液確實色素含量更高！
師：我們知道，色素吸收光能，不同的色素吸收不同的色光，如何來確定綠葉中色素具體吸收什么類型的色光呢？有請我們的發明家閃亮登場！
生7：（拿出裝置，介紹裝置組成。）我們這個裝置，利用了鐵架臺，頭燈、光盤，廢棄的泡沫板來制作的，打開頭燈，光經過光盤，可以分出七色光，把色素提取液放進比色皿，（放在光源前面）大家仔細觀察，跟不放有什么區別？
生8：有些地方變暗了。
生7：紅光和藍紫光的地方變暗了！
師：是什么原因？
生9：可能色素吸收了紅光和藍紫光啊
師：有沒有可能是乙醇吸收了紅光和藍紫光？如何證明？
生10：再加一個乙醇的對照組看看！
生7：哈哈，我們也想到了！（把無水乙醇組放進去，對比！）
生7：同學們看，無水乙醇組沒有變暗，色素提取液組的紅光和藍紫光被吸收了，說明色素主要吸收紅光和藍紫光！這就是我們小組和老師一起發明的分光裝置。
師：感謝發明家的分享！讓我們直接看到了色素吸收光譜的變化，有助于理解色素的主要功能。
師：我們知道不同的有顏色的生物組織中都含有色素，有同學用超聲波提取法，從胡蘿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？（胡蘿卜素！）用什么方法證明？
生11：紙層析試試看！
師：來，請大家把胡蘿卜提取液進行紙層析。
師：層析結果怎么樣？請生11展示。
生11：（展示層析紙結果）通過對比，可以知道，胡蘿卜中含有胡蘿卜素，無葉綠素。
師：同學們，要不要看一下胡蘿卜素吸收什么光？來，你給大家演示下吧！
生11演示分光，指著白板上的分光情況，分析實驗，得出結論：胡蘿卜素主要吸收藍紫光。
師：既然胡蘿卜素主要吸收藍紫光，那紅光是哪種色素吸收的呢？
生12：葉綠素吧
師：對，科學家發現葉黃素也主要吸收藍紫光，推測，紅光就是由葉綠素吸收的。
師：現在，讓我們來探究葉綠素的吸光情況吧！要從綠葉中分離純的葉綠素，不太容易啊。先看資料！請同學思考，如何設計實驗，來探究葉綠素的光譜吸收情況呢？
師:生13,你們組準備怎么做?
生13 我們設計了兩組,一個不加鹽酸的提取液作為對照組,一個加鹽酸的作為實驗組。
師：好！其他組也是這個設計嗎？（齊答：是的）那你們組來操作，看一看實驗結果。
生13演示：兩支試管，一支加鹽酸，一支不加，振蕩一下，走下來給前兩排的同學看，問：大家看，有什么改變？
生14：變黃了！
生13：溶液由綠色變成了棕黃色！
生13給大家演示下吸光情況。把加了HCL的和不加HCL的進行分光！
生13：（指著白板上的分光）不加鹽酸組，紅光和藍紫光都被吸收了，加鹽酸組紅光沒有被吸收！通過資料，我們知道，加鹽酸主要是破壞葉綠素，葉綠素被破壞了，紅光不能被吸收，間接說明，葉綠素可以吸收紅光。
師：分析很準確！科學研究還表明，葉綠素也吸收藍紫光！
因此，結合這兩個探究，可以發現，類胡蘿卜素主要吸收藍紫光，葉綠素主要吸收紅光和藍紫光。
師： 哎，有一個組還躍躍欲試，看來還有一些發現，來，生15說說你們還有什么發現？
生15：我們有一個發現，讓我變給你們看！上來講臺，拿頭燈對著色素提取液直射，問：什么顏色？---綠色！拿頭燈反射，問：什么顏色？---棕紅色！
生15：很神奇吧！角度不一樣，顏色不一樣哦！我們查閱資料，發現這種就叫做葉綠素的熒光現象。由于葉綠素提取液吸收的綠光最少，因此我們用肉眼看到是綠色。葉綠素分子吸收光能后，就由能量較低的穩定狀態提高到能量較高的不穩定狀態，這種狀態是激發態，激發態不穩定，葉綠素就會將能量以紅光的形式發射出來，因此我們就會看到紅光。
師：解釋得很透徹！非常棒！
實驗進行到這里，相信同學們都掌握了綠葉中色素提取、分離的原理和方法，其中超聲波提取法和懸掛式紙層析優化了提取過程，改進了層析的細節，并且還有分光裝置的發明，利用這些裝置，同學們還進行了一系列有意義的探究實驗，希望同學們在今后的學習過程中，繼續保持這份探究的熱情，再接再厲，爭取更大的發現！
本節課就上到這里！下課，同學們再見！
十一、教學設計反思與自我評價
1．超聲波提取法的應用簡化了實驗操作，節省了試劑和時間，為后續的探究奠定了基礎。
2．光盤自制分光器的發明，使學生直觀的看到了色素吸光光譜的變化，有助于學生理解實證在科學研究中的重要意義。
3．學生能夠利用超聲波提取法和光盤自制分光裝置，自主進行實驗設計，實施實驗方案，交流展示研究成果，這些過程鍛煉了學生的語言表達能力，合作探究能力，知識遷移的能力，提高了學生的生物科學素養，體現了自主、合作、探究的新課標理念。
作者:廖永梅
單位:廣西桂林市桂林中學
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