应用自制教具培养学生核心素养的生物学实验设计
——以“叶绿体色素的提取和分离”实验的拓展为例

伍晓龙

（广州大学附属中学南沙实验学校，广东 广州 510000）

0 引言

“绿叶中色素的提取和分离”是高一学生必做的分组实验。该部分教学目标为“简述叶绿体中色素的种类和功能”。传统的实验设计中，学生根据纸层析法得到的结果可以很好实现“色素的种类”这一教学目标，但对于“色素的功能”，即不同色素的吸收光谱并没有设计相关的实验进行探究。笔者通过研究和尝试，自制光合色素吸收光谱测定仪，改选韭菜和韭黄为实验材料，设计了延伸实验，分别得到韭菜色素（叶绿素和类胡萝卜素混合物）、韭黄色素（类胡萝卜素）的色素滤液后，让学生借助光合色素吸收光谱测定仪进一步探究不同色素的吸收光谱，更好地还原了科学探究的过程，突破本节教学重点的、提高学生的科学探究核心素养水平。

1 光合色素吸收光谱测定仪的制作

1.1 工作原理

平行光穿过光栅得到散射光光谱，把含不同的色素的溶液置于光源和光栅之间，得到光谱中变暗部分为对应色素吸收光波（定性判断），且可借助手机端软件Mspec软件分析吸收光谱的波长频段（定量测定）。

1.2 制作材料

硬卡纸、光栅（600线）、比色杯、LED手电筒。

1.3 制作方法

（1）取硬卡纸，按图1所示裁剪成相应形状。

图1

（2）黑色部分为镂空，其中正方形镂空后贴上光栅；长方形镂空后放置两个比色杯。沿着虚线折叠并将实线处粘合。分别得到手机支架、光谱仪主体、光源盒如图2所示。

图2

（3）光源盒内添加LED手电筒。

（4）将手机支架、光谱仪主体、光源盒按顺序组装，并放上手机，总体效果如图2（P188）所示。

1.4 使用步骤

（1）色素加入比色杯内。

（2）打开光源开关。

（3）手机拍照记录色素吸收光谱，肉眼比较，亦可将照片导入软件，测定其色素吸收波长（见图3）。

图3

2 实验教学过程

（1）色素的提取：直接选取韭菜、韭黄提取色素，分别获得韭菜色素（叶绿素+类胡萝卜素）、韭黄色素（类胡萝卜素）。

（2）色素的浓缩：室温下，避光敞口放置，随无水乙醇的挥发，可进一步浓缩获得浓度较高的色素。

（3）测定吸收光谱：光谱测定仪分别测定对照组：无水乙醇、实验组1（韭菜）含叶绿素+类胡萝卜素、实验组2（韭黄）类胡萝卜素共三组的吸收光谱，肉眼观察并拍照记录，亦可导入Mspec软件分析波长。

（4）实验结果分析：从吸收光谱中可知，韭菜色素，即叶绿素+类胡萝卜素吸收的总光谱为红光和蓝紫光；韭黄色素即类胡萝卜素吸收光谱为蓝紫光，由此推测红光部分可能是由叶绿素吸收。

图4

（5）结合教材，得出结论：阅读教材，进一步得出结论：叶绿素同时吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素吸收蓝紫光。

3 实验教学评价与反思

本次实验教学设计中自制的色素吸收光谱测定仪器的应用，为学生的进一步探究色素的功能提供了可能。较好地落实了科学探究。

3.1 亮点

（1）创新设计，服务教学重点：为教材实验的补充，以延伸实验的方式较好地突破了“色素的种类和功能”这一教学重点。

（2）简易教具，易操作、可推广：教具制作简单，材料易得，成本低廉（每个教具成本约35元），结构较稳定，操作简单。

（3）兼顾定性判断和定量测定：对观察结果的分析包括定性判断（肉眼观察色素带变暗）、定量测定（Mspec软件可观测吸收光波的变化）。较好地突出了生物学严谨的科学属性。

（4）实验材料的改进：把菠菜改为韭菜和韭黄。

（5）反证法思想的渗透：在实验结果分析中渗透了反证法思想，类似肺炎双球菌体外转化实验中DNA+DNA酶的实验设计。

3.2 反思与改进

针对实验用时可能过长的情况，笔者认为目前可以有两方面的改进方法：

（1）实验课调至下午放学最后一节，未完成的小组可放学后留下继续实验。

（2）对于基础薄弱的班级，可选少部分能力强的学生录制实验过程，延伸实验部分在课堂上以视频演示实验代替学生实验。