理解原理 寻求创新

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  生物学是一门实验科学,观察和实验是生物科学基本的研究方法。光合作用是高中生物学的重点和难点内容之一。叶绿体是光合作用的场所,做好必修一《分子与细胞》中“绿叶中色素的提取和分离”的实验,有助于学生理解叶绿体中色素的种类和含量,加深学生对色素作用的理解,进而对光合作用的理解和掌握。
  
  1 理解实验原理
  
  课程标准要求,学生必须知道每个实验的实验原理、实验程序和每步操作的目的和理论依据。教材为此设计了一个比较详细的实验方案,学生能不能出色地完成此实验,关键在于对实验原理能否很好地理解。实验的每个步骤均有其内在的道理,因此说,理解原理不仅是实验成功的关键,也是理解实验方法步骤的关键。若能将实验原理知识迁移到实验方法步骤中去,学生就更易理解。如:
  ①取材时要选取新鲜的、颜色深绿的叶片。目的是使滤液中含有较多的色素。
  ②由于光合色素位于叶绿体的囊状结构上。要把它提取出来必须破坏叶表皮、细胞壁和细胞膜、叶绿体的双层膜,所以要剪碎后加二氧化硅研磨,目的是为了研磨得更加充分,更有效地破坏细胞结构。加入少许碳酸钙的目的是为了防止在研磨过程中,叶绿素受到破坏。因为叶绿素分子结构中含有一个镁原子,当细胞破裂时,细胞液内有机酸中的氢可取代镁原子而成为褐色的去镁叶绿素,碳酸钙可中和有机酸以防止去镁反应的发生。又因为叶绿体的色素不溶于水,但可溶于有机溶剂中,所以还要加入无水乙醇使色素溶解,从而提取各种色素。
  ③研磨要迅速、充分。这是因为无水乙醇易挥发,同时叶绿素极不稳定,易被活细胞中的叶绿素酶水解而破坏。
  ④制备滤纸条时,根据小孔(边缘)扩散原理,物贡分子沿边缘扩散速度要大于里边扩散的速度,因此要将滤纸条的一端剪去两角(剪角后底边宽度接近滤纸条宽度的1/2时为最好),这样,可有效防止滤纸条两侧色素扩散过快的现象,而使色素带平行、整齐,则由于观察实验结果。在距去两角的一端1 cm处用铅笔画一条细的横线,目的是为画滤液细线提供参照线。画滤液细线时,待滤液干燥后重复画1~2次,是为了增加色素的分子数,以便在滤纸条上分离出4条明显的色素带来。如果在不干燥的情况下连续画线,色素会随滤液中的液体在滤纸条上的扩散而扩散,画出的滤液细线较宽,其分离结果是相邻的两条色素带会发生部分重叠。
  ⑤分离的原理与4种色素在层析液中的溶解度有关。层析液是一种脂溶性很强的有机溶剂,由于4种色素的化学组成和结构不同,因此每一种色素分子在层析液中的溶解度不同,因而4种色素随层析液在滤纸条上的扩散速度就不同,其中胡萝卜素在层析液中的溶解度最高,扩散速度最快,其次是叶黄素、叶绿素a,叶绿素b溶解度最低,扩散得最慢。依据此原理使滤纸条上处于同一滤液细线上的4种色素在扩散中分离开来。
  ⑥将3 mL层析液倒入试管中,将滤纸条(有滤液细线的一端朝下)轻轻插入层析液中,滤纸条斜靠着试管内壁,随后用棉塞塞紧试管口。注意不能让滤纸条与沾有层析液的试管内壁紧贴,也不能让滤液细线触及层析液,因为色素会溶解于层析液中,导致分离的色素带不清晰,影响实验效果。
  因此,在实验时,教师要讲清或提出问题让学生思考,使学生不但知其然,还要知其所以然。在指导学生进行此实验时,要求学生严格按教材要求操作,然而学生们的实验成功率总是不高,于是笔者同学生一起分析原因,结果发现教材在实验取材、提取色素的方法、画滤液细线、分离色素等方面均有不足。为此,做了一些改进再实验,取得了显著的效果。
  
  2 寻求创新方法
  
  2.1 提取绿叶中色素的改进
  获取高浓度的色素提取液是该实验成功的一个关键环节。色素提取液的质量高低直接影响到分离效果的好坏乃至整个实验的成败。如何提取绿叶中的色素,教材中介绍的做法是:称取5 g新鲜的绿色叶片(如菠菜叶)剪碎,放入研钵中,向研钵中放入少许二氧化硅和碳酸钙,再加入10 mL无水乙醇,进行迅速、充分的研磨,然后将研磨液迅速倒入玻璃漏斗(漏斗基部放一块单层尼龙布)中进行过滤,将滤液收集到试管中,及时用棉塞将试管口塞严,供随后进行的分离色素步骤用。
  经过多次的实践,师生觉得教材介绍的方法存在的问题有:
  ①所用材料过多,每个实验小组要用5 g菠菜叶。
  ②所用药品种数过多,而且二氧化硅、碳酸钙的用量又不好把握(二氧化硅是特别细的白色粉末,易过量,使滤液中含有较多的二氧化硅,而导致滤液颜色变浅;难溶于水的碳酸钙明显地残存于滤液中,滤液中杂质多,颜色浅,影响实验效果),无水乙醇用量大,一次要用10 mL。
  ③所用仪器多,操作步骤多,既要研磨,又要过滤,提取滤液所需时间较长。
  ④进行“迅速、充分的研磨”,研磨到什么程度才叫充分呢?叶片呈细碎片状,算研磨充分吗?可是此时提取的滤液颜色淡,色素含量不高,且浑浊,经纸层析后分离效果欠佳。
  针对以上问题,对绿叶中色素的提取进行了较大的改进:
  改“研磨法”使叶肉细胞破裂、使色素溶解在无水乙醇中为“水浴加热法”,让叶片中的色素溶解在无水乙醇里,具体实施方法如下:
  每个实验小组称取1 g绿色叶片,剪碎放入试管底部,用量筒量取1.5~2 mL无水乙醇倒入试管中,将试管置于沸水中水浴加热1~2 min,使叶片含有的色素溶解在无水乙醇里,当看到试管中的液体呈深绿色时,即可将试管从沸水中取出,冷却待用。
  改进后的方法有以下几个优点:
  ①取材广泛。由于省去了研磨这一步骤,一些较难研磨的常见木本植物(如大叶黄杨、樟树、竹叶、法国梧桐等)、常见的植物(如美人蕉、车前草等)、菜农废弃的叶片(如佛手瓜、萝卜、胡萝卜、甘薯等)也可用做实验材料(若能在室内预先晾半天,失掉一些水分,效果更好),只要颜色深绿,效果都很好,使材料来源更加广泛,可就地取材,减少季节、气候等因素对实验的影响。
  ②节约材料。原来需5 g叶片,改进后只需1 g,仅是原来的1/5,能节约材料。同时用量少更能挑选质量好、老嫩适中的叶片做实验材料,以提高色素提取液的质量。
  ③节约药品。原来要用10 mL无水乙醇作溶剂,改进后只用1.5-2 mL即可,仅约为原来的1/5。改进后完全不用二氧化硅和碳酸钙,节约了大量的药品。这也符合当今的时代要求(建立资源节约型社会)。
  ④节约时间。原来的操作程序繁琐,既要研磨,又要过滤,所花时间较长,一般要10 min左右才能得到滤液,使很多学生在一节课的时间内不能完成整个实验。改进后只要事先准备沸水,而且可以几个实验小组共用一杯沸水。称取叶片后稍微剪碎,放进试管,加好无水乙醇,将试管放进沸水中水浴约2 min,即可得到理想的色素提取液。取出试管,稍微冷却,然后将试管中的提取液小心倒入另一支试管中,就可画滤液 细线(也可省去倾倒这一步,用滴管直接在原试管中吸取冷却的色素提取液)。
  ⑤实验效果好。原来提取的滤液,部分学生常因操作不当容易产生失误,得到的滤液常呈黄绿色,浑浊不清,稍微放置后容易分层,经纸层析后,色素分离效果总是欠佳。改进后提取的色素液,墨绿透明,浓度高,画滤液细线只要画2-3次,经层析分离后,4条色素带清晰分明。
  另外,如果几个实验小组共用一套仪器提取绿叶中的色素,则可相应地增加叶片和无水乙醇的用量,用小烧杯盛装后置于大烧杯中水浴,则可一次制得量较多而又耐用的色素提取液。
  2.2 制备滤纸条的改进
  教材介绍:将干燥的定性滤纸剪成长和宽略小于试管长和宽的滤纸条。由于滤纸条过长、过宽,其重量过大,在层析过程中滤纸条易变软下塌,使滤液细线没入层析液中;另外,多个班级多个实验小组轮流做实验时,难保试管壁干燥,则滤纸条易被试管壁水珠沾湿,影响实验效果。为了找到妥善的解决办法,教师号召学生大胆探索,经过各种对比实验,学生们得出了如下方法解决这一难题:悬空在试管中或烧杯内,不能让它碰到壁上,具体操作方法见后面2.4。
  本实验不仅可用条形滤纸进行层析,还可以采用圆形滤纸进行层析。
  2.3 画滤液细线的改进
  画滤液细线是要求很高的一个操作步骤。色素带分离效果的好坏与滤液细线画得是否“细、直、齐”直接相关,而教材中介绍的用毛细吸管吸取少量滤液画细线,因条件限制,实验室无法拉制毛细吸管,再说此方法也不好操作,学生采用以下2种尝试方法:
  (1)盖章法。
  用滴管吸取一滴滤液滴在一洁净载玻片的中央,当作“印泥”,用洁净盖玻片或塑料胶片的一侧作“印章”,沾取滤液,然后对齐滤纸条上的参照线,垂直按下印到滤纸条上,并称其为“盖章”,待滤液干后重复2~3次,此法省时省力,且画的滤液细线较易达到“细、直、齐”。
  (2)点样法。
  在滤纸条上画滤液细线有一定难度,而点色素斑比画滤液细线则容易得多。将一干燥的的圆形定性滤纸(直径为11 cm)盖在培养皿上,在中央用细毛笔点上2。3次色素提取液(点在同一点上),点成圆形的色素斑。
  2.4 分离色素装置的改进
  2.4.1 试管法
  针对层析时,滤纸条容易下滑到试管中,改进的作法是:取1枚大头针,将它的一端折成勾状,另一端插入试管塞,再用1个回形针挂在勾上,用回形针夹住画好滤液细线的滤纸条(滤纸条的长度事先量好,不能让层析液没及滤液细线),将3 mL层析液倒入试管中,用试管塞塞紧试管口,进行层析。
  2.4.2 烧杯法
  因为试管空间小,操作难度还是较大,容易使滤纸条边缘碰到壁上而沾上层析液从而影响其实验效果。对此可改为用烧杯层析:此法还可几个实验小组共用一份层析液,节约药品。事先量好烧杯的高度,再根据烧杯高度制备滤纸条,让滤纸条长度长出烧杯1 cm,将长出部分做直角弯折,另一端仍剪去两角,在距顶端1 cm处画滤液细线。然后将培养皿的内顶壁涂上胶水,再将滤纸条弯折部分贴于内顶壁,可以将数条滤纸呈轮状依次贴妥。向烧杯中注入适量的层析液,加盖培养皿盖,这时的滤纸条均垂直悬于培养皿的内顶壁,高度一致,互不粘连,吸层析液后仍保持垂直状态。
  2.4.3 培养皿法
  对点样法的层析:取一枚缝衣针,穿一条细棉线,在棉线末端打个结,将针从圆形滤纸正面穿过色素斑中心,在距线结约4 cm处剪断棉线。取直径10 cm的培养皿一套,向培养皿底中加入5 mL层析液。把上述圆形滤纸扣在培养皿底上面,无线结的一面朝下,棉线则浸没在层析液中,再将培养皿盖盖在滤纸上。采用此方法,可以看到色素随层析液由线结处向周围均匀扩散。几分钟后,可观察到4个近似同心圆的大小不一的颜色清晰的色素环,实验效果非常显著。而且层析时,不用担心滤纸上的色素会没及到层析液中,不失为一种好方法。
  2.5 层析液的改进
  教材中给出了两种层析液配方:①石油醚:丙酮:苯(20:2:1);②93号汽油。通过查阅资料知道也可用如下配方:③石油醚:丙酮(10:1);④石油醚:酒精(10:1);⑤纯酒精;⑥纯石油醚。这些方法的分离效果也都很好,果真如此吗?
  因此教师有意设计了一个比较实验,通过师生共同探索、讨论,试图找到一种分离色素的最佳层析液。要求每个实验小组都用3种层析液进行层析,其中①、②为必做,另外按组别分别做③、④、⑤、⑥中的一种,比较分离色素的效果,结果发现:
  (1)层析液①的分离效果好,且速度快;
  (2)层析液②的分离效果欠佳,胡萝卜素、叶黄素颜色非常浅,且叶绿素a、叶绿素b很难分开:
  (3)层析液③的分离效果与①差不多:
  (4)层析液④分离出的色素带中叶绿素a与叶黄素位置发生了互换:
  (5)层析液⑤、⑥虽简便一些,但分离效果欠佳。
  别外,如果考虑到苯对人体有害,则配方③是一种较好的层析液。
  2.6 实验方法的改进
  实验设计很重要的一条原则是对照原则,教师可设计对照实验,加深学生对本实验的理解和掌握。
  如设立一个空白对照组,在其他条件完全相同的情况下,不画滤液细线,结果进行对照,消除“不同色带是层析液在滤纸上扩散后留下的颜色”的怀疑。这样同时也培养学生严谨的实验作风,体现生物学科研的基本原则。
  为了强调不要使层析液没及滤液细线的意义。也可以设立一个没及滤液细线的对照组,结果发现色素会被溶解下来,而导致无法分离。
  教师还可鼓励学生通过对比实验来研究哪种方法能达到最佳的实验效果。如绿叶与无水乙醇的量的比例作一研究;对滤纸条的画线次数的研究等,通过进行对比实验,得出结论。
  经过以上改进后,此实验的成功率大大提高了,学生也终于悟出:不应迷信课本,不能为做实验而做实验,而要敢于设想,大胆探索科学的操作方法,多动脑、多动手。其实实验方案的设计本身就不是唯一的,每个实验都没有固定的不可变更的模式。为了得到明显的实验现象,达到满意的实验效果,师生要不断钻研,勇于探索,努力寻求更便捷、效果更好的实验方法。要是能经常这样尝试,非常有利于培养学生的实践能力和创新意识,能全面提高学生的科学素质。
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