基于核心素养的高中生物学实验学科交叉教学——以“叶绿体色素的提取和分离”为例*

李贝贝 李宗芸

（江苏师范大学生命科学学院 江苏徐州 221000）

在竞争日益激烈的新时代背景下，对新型人才的培养提出了更高的要求，《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课程标准”）中提出“生物学课程要求学生主动地参与学习，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力”。随着基础教育课程改革的不断深化，传统的分科教学虽然有利于构建系统、全面、完整的知识体系，但其弊端难以忽视，致使学生在解决实际问题时，缺乏综合运用所学知识的能力。江苏省的“3+1+2”新高考政策已经施行，但在目前分科教学的大环境下，不同学科知识间的相互交叉渗透越发重要。

1 在高中生物学实验教学中的学科交叉

生物学是自然科学中的一门基础学科，“新课程标准”中着重强调要发展学生的生物学学科核心素养，其中的科学思维和科学探究能力是学生学习生物学的基础，二者相辅相成，相互促进，这也是学习其他理科的必备能力。而生物学实验是培养学生生物学核心素养的良好载体，学生通过自主设计实验、亲历科学探究的一般过程，逐步学会用科学思维的方式进行自主探究，独立解决问题。在进行生物学实验时，无论是实验原理、实验材料、还是试剂、工具等，不可避免地涉及其他理科知识。此时，教师应指出学科交叉知识点，帮助学生理解本节实验的同时，增强对知识的融会贯通能力，达到深度学习，培养独立思考、解决问题的能力，形成创新精神。

以“叶绿体色素的提取和分离”实验为例，该实验从实验原理、试剂、方法等各方面都涉及化学等其他学科知识。因此在课堂上，为了更好地阐释实验现象，有必要适当地进行相关学科知识的拓展。

1.1 叶绿体色素的提取——“相似相溶”原理 “相似相溶”原理在之前的教学中就已提及，例如在“物质的跨膜运输”一节中，脂溶性强的物质较容易穿过细胞膜，这与组成细胞膜的磷脂的结构有关，可见理解“相似相溶”原理有助于学生构建物质的结构与功能观。“相似相溶”中“相似”是指溶质与溶剂在结构上相似，即有相同的官能团；“相溶”是指溶质与溶剂彼此互溶。因此，“相似相溶”指极性溶剂易溶解极性物质，非极性溶剂易溶解非极性物质。

在本节实验教学中，给出叶绿体中各个色素的化学分子式，由分子式得到叶绿体中色素的极性大小为：胡萝卜素极性最小，其次是叶黄素，叶绿素极性最大（叶绿素a 和叶绿素b 在结构上的差别很小）。在提取叶绿体中的色素时，加入少许二氧化硅帮助研磨，以破坏细胞结构，此时细胞内尤其是液泡内的有机酸被释放，易破坏叶绿素的结构。叶绿素的分子结构如图1所示，叶绿素a 与叶绿素b 仅有R 基的不同，它们分子中央含有一个镁原子，在酸性环境下，卟啉环中的镁原子被氢取代，成为去镁叶绿素［1］。因此在提取叶绿素的过程中，加入的碳酸钙可与酸性物质发生反应，生成二氧化碳和水，进而保护叶绿素。

图1 叶绿素的分子结构

人教版教材中用无水乙醇作为提取液，以石油醚∶丙酮∶苯=20∶2∶1 的混合有机溶剂作为层析液。在提取色素的过程中，根据其极性特点，脂溶性的光合色素更易溶于有机溶剂，因而用无水乙醇进行提取而非水。在分离光合色素时，层析液同样为非极性溶剂，各色素的极性不尽相同，在层析液中的溶解度也不同进而分开，可推测出叶绿体中色素的溶解度大小：胡萝卜素溶解度最大，其次是叶黄素，叶绿素溶解度最小。这为更好地理解层析的原理打下基础。

1.2 叶绿体色素的分离——层析原理 为了在课堂教学中简便地分离叶绿体色素，教材使用纸层析法，纸层析法在高中化学实验中同样重要，在“铁离子和铜离子的分离”实验中所采用的方法就是纸层析法。纸层析法是层析方法中的一种，本节实验是高中学生第1 次接触“层析”这个概念，层析包含的内容很复杂，无论哪种层析方法，都有其固定相与流动相。纸层析法的固定相是滤纸纤维上吸附的水分，流动相是层析液，当层析液沿着滤纸上的毛细管进行流动时，滤液细线中的各色素组分会随着层析液向前流动，在流动的过程中，由于叶绿体中的各色素在流动相和固定相中的溶解度不同，即在流动相和固定相中有不同的分配比。多次分配之后，分配比大的物质移动快，反之则慢，不同色素得以分离。

考虑到高中学生的接受能力，先将层析按照操作形式进行划分，分为纸层析、柱层析和薄层层析3 种。纸层析法操作简单，材料易得，适用于高中实验教学，可分为上升纸层析法和径向纸层析法（图2）。教材中使用上升纸层析法，在滤纸条上画一条细而直的滤液细线，垂直插入层析液中，层析液利用毛细现象沿着滤纸上升；径向纸层析法的分离介质也是滤纸，将层析液倒在培养皿中，在圆形滤纸中央戳一个小洞，卷一小节滤纸卷插进小洞，滤纸卷下段浸入层析液中，用毛细吸管吸取少量滤液，在距圆形滤纸中心1 cm 左右均匀点样画一个圆环。层析液沿着圆形滤纸扩散形成大小不一、颜色不一的色环，为了减少层析液挥发，可在滤纸上盖一个培养皿［2］。如果学校条件允许，可使用硅胶层析板代替滤纸的薄层层析，薄层层析在分离叶绿体色素时，灵敏度高，分离效果更好，还可通过计算比移值进行定量比较。

图2 上升纸层析法（左）和径向纸层析法（右）

1.3 灯光照射色素提取液——荧光现象 用灯光照射试管中的色素提取液，会发现叶绿体色素在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色，即产生了荧光现象［3］，荧光的原理属于高中物理学“原子结构”一章的内容。在图3中，学生乙观察到绿色，由于叶绿体色素主要吸收红光和蓝紫光，吸收的绿光最少，所以观察到的为绿色透射光。学生甲观察到红光，是叶绿体色素分子吸收能量、受激发后所产生的发射光谱。叶绿体色素分子原本处于最稳定的、能量最低的基态，吸收一定能量的光子之后，被激发到一个不稳定的、高能量的激发态，激发态不稳定，很容易返回基态，因此发射荧光，放出多余的能量，迅速由激发态回到基态。

图3 观察荧光现象示意图

这时有学生提出为什么平时在太阳光下观察不到荧光现象？这是由于在细胞中色素分子吸收的光能有3 种去向：放热、发荧光和同化二氧化碳，其中同化二氧化碳占了绝大部分的能量，因此发荧光现象不易观察到。而试管中的色素提取液破坏了细胞结构，吸收的光能更多地用于发荧光，所以能明显地观察到荧光现象。

2 结语

新课程标准中的核心素养是指学生在接受相应学段的教育过程中逐步形成起来的适应个人终身发展与社会发展的人格品质与关键能力。虽然各学科有学科核心素养，但核心素养与学科核心素养之间是全局与局部、共性与特性、抽象与具象的关系，学科核心素养之间也不应割裂开来，“科学思维”与“科学探究”是生物学学科核心素养、化学学科核心素养与物理学学科核心素养的共同内容。实验教学是发展学生核心素养的良好载体，教师要充分利用和挖掘每一个实验的教学资源，各学科的任课教师多沟通，对于学科交叉部分的教学进行交流讨论，协同促进，发展学生的核心素养，提高创新能力。