本期荐读丨跨学科：自制实验装置在高中生物学实验中的应用——以“绿叶中色素的提取和分离”实验为例/王丽

“绿叶中色素的提取和分离”为人教版教材普通高中生物学必修 1《分子与细胞》第 5 章第 4 节的内容。《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出,实验设计应该注重探究性、创新性和实践性。教师以本节实验内容为中心点，启发学生开展广泛的思维探索与发散活动，充分展现实验的“探究性” 特质；组织学生通过自制装置、改良实验路径、优化实验流程，明确彰显实验的“创新性”内涵；引 导学生全流程参与实施实验，着力推进实验的“实践性”要求。

教材实验未提及测量光合色素含量的方法，学生只能通过对色素条带的宽度估测每种色素的含量。基于实验经费的限制，普通的高中生物学实验室往往无法配置紫外分光光度计，教师通过构建真实问题情境“如何对色素浓度定量分析”，启发学生通过小组研讨，自主搭建出基于吸光度原理的测量装置——色素吸光度测量仪，定量测定每种色素的具体含量。

4.1.1 自制实验装置——色素吸光度测量仪 

所需材料：泡沫盒 1 个（约30cm×20cm×10 cm，不透光的鞋盒亦可），硬纸板 1 张，比色皿若干，可调节波长的手电筒 1 个，光照强度测量仪 1 个。 

构建方法：选取 1 个带盖的泡沫盒，正中央用一块硬纸板固定比色皿，在泡沫盒的 2 侧各开 1 个洞，一侧固定手电筒，另一侧固定光照强度测量仪的感光探头。安装时，须使光源穿过比色皿之后，刚好照射在光照强度测量仪的探头上。色素吸光度测量仪见图 1。

4.1.2 实验装置使用方法 

1）为了使色素吸光度测量仪所测数据更具对比性，选取韭菜叶和韭黄叶的色素滤液进行对比实验。分别称取 10 g 新鲜的韭黄叶和韭菜叶，按照教材的实验步骤制备色素滤液 25 mL，备用。 

2）取 3 个洁净的比色皿，1 个比色皿中装入少量无水乙醇作为对照组，另外 2 个分别装入等量的新鲜韭黄叶和韭菜叶滤液作为实验组。 

3）使手电筒的光穿过比色皿并照射在光照强度测量仪的探头上，依次调整手电筒光源的波长为 669、645、470 nm，盖上泡沫盒的盖子，读取并记录光源透过无水乙醇、韭黄叶滤液和韭菜叶滤液后的光照强度（表 1）。根据朗伯-比尔定律，计算韭黄叶色素和韭菜叶色素的吸光度，从而得出叶绿素 a（669 nm）、叶绿素 b（645 nm）、 类胡萝卜素（470 nm）的最大吸光度，并进一步计算出各种色素的浓度及含量（表 2）。

将表 2 中的色素质量分数以柱状图的形式呈现出来，见图 2。由图 2 可知，相较于韭黄叶，韭菜叶中叶绿素的含量明显更高，而类胡萝卜素的含量则相对较低，叶绿素 a 的质量分数在 2 种滤液之间呈现出较大的差异。通过柱状图中清晰且直观的数据呈现，教师引导学生解释“秋天树叶变黄”这一自然现象背后的生物学原理，进一步引导学生思考色素含量的改变可能与哪些环境因素紧密相关，让学生深刻体会到“生物学源于生活”这一观点的精髓。

4.1.3 实验装置优点分析 

自制色素吸光度测量仪成本低、绿色环保、操作简单，能对实验数据进行定量测量，提高了科学研究的严谨性，还能帮助学生更好地理解相关原理和实验技能，具有 重要的教学意义。色素吸光度测量仪具有灵活性和可扩展性，可以根据不同实验的需求进行设计和调整，如可将其用于“探究温度对酶活性的影响”“测定泡菜中亚硝酸盐的含量”等其他生物学实验，充分体现了《课程标准》中“教学过程重实践”的教学理念。

学生在预实验的过程中发现，滤纸条容易在层析过程中移动或脱落；层析液的挥发会影响实验数据的精度和操作的安全性。 在教师的引导下，学生分组设计出兼具固定与密封功能的密闭层析盒对色素进行密闭层析。 

4.2.1 自制实验装置——密闭层析盒 

所需材料：透明的亚克力板若干块，大型注射器（学校统一购买）1 个，鲁尔接头 1 个，热熔枪，美纹胶带 1 卷，滤纸条若干。 

构建方法：首先，选择透明的亚克力板若干块，制作成一个大小约为 20 cm×15 cm×5 cm 的透明盒子作为层析盒（层析盒的顶盖可活动），在层析盒的顶盖下部安装固定卡槽，用来固定滤纸片。层析盒的下端钻一个小孔连接上鲁尔接头，大型注射器通过鲁尔接头与层析盒进行连接。实验时用美纹胶带将画完滤液细线的滤纸条固定在盒盖的卡槽上，盖上盒盖，再用注射器由下至上推入适量层析液进入层析盒。密闭层析盒的正面图见图 3。 

4.2.2 实验装置的使用方法 

1）按照教材中的实验步骤完成提取色素、画滤液细线等操作。 

2）将画好滤液细线的滤纸条带的一端整齐地粘贴在卡槽上，并将卡槽固定在层析盒盖的下侧。

3）用注射器将层析液由下至上注入层析盒中，接着开始分离色素。 

4）色素分离完成后，打开层析盒盖取出该组的色素条带，贴上下一组的滤纸条，层析盒中的层析液还可继续使用。

4.2.3 自制实验装置优点分析 

自制的密闭层析盒简单易用，用注射器由下至上往层析盒中缓慢推动层析液，能严格控制层析液的使用量，有效避免滤液细线被层析液没及；该装置操作方便，能同时将多组学生的滤纸条进行批量层析，层析过程结束后又能将层析液快速回收继续重复使用，实现层析液的循环与共享，经济环保；使用亚克力板制作的层析盒气密性好，有效避免师生在实验过程中吸入层析液。

教材实验中未涉及如何分析不同色素吸收光能的情况，为了提升学生的情感体验，教师创设真实问题情境：如何量化比较不同色素的光能吸收率？启发学生基于光学原理展开实验装置的设计。通过小组讨论，在教师提供的原理和框架下，学生分组设计并制作出简易的光谱分析仪（图 4）。学生通过自制的光谱分析仪，自主获取不同色素溶液在特定光源照射下的吸收光谱数据，直观地观察哪些波长的光被色素吸收，哪些波长的光被反射或透射，从而理解不同色素对光能的吸收特性。 

4.3.1 自制实验装置——光谱分析仪 

所需材料：不透光的盒子 1 个（以黑色为佳），白炽光手电筒，DVD 碟片外层，USB 连接电脑的摄像头，比色皿 1 个。 

构建方法：取 1 个体积约为 30 cm×10 cm×10 cm 的不透光的黑盒子，在盒子的一侧开一个狭长的小缝（2 mm×10 mm），将比色皿固定在狭长小缝的外侧，确保手电筒的光线只能从比色皿经狭长的小缝和摄像头镜头进入；裁剪一块面积约为 1 cm×3 cm 的 DVD 碟片表面的外层区域作为衍射光栅（分光的原理类似于三棱镜），将其粘贴在带有 USB 连接线的摄像头的镜头上，然后将摄像头固定在黑色盒子的中央，摄像头与光线呈 30°角放置；将连接摄像头的 USB 连接线插入电脑接口，在电脑上正确安装摄像头驱动程序。为了更好地展示装置内置构造，图 4 展示的是将光谱分析仪的黑色盒子切开之后的侧面图。 

成像原理：当白炽光通过倾斜 30°的光栅时，不同波长的光因衍射而发生分离，进入连接的摄像头，再通过 USB 连接计算机，配合光谱分析软件（Theremino_Spectromete）对不同色素的吸收光谱进行分析，即可提取各波长对应光强值，构建出量化吸收光谱曲线。 

4.3.2 自制实验装置使用方法 

1）打开软件。在电脑上打开光谱分析软件 Theremino_Spectromete 对不同色素的吸收光谱进行分析，并准备好记录和分析光谱数据的界面。 

2）调整光谱分析仪。将光谱分析仪对准待测光源，调整光源和光谱分析仪的位置，以确保光线能够充分进入狭缝并被摄像头捕捉；在软件中启动扫描功能，准备测量光谱数据。 

3）设置对照组。向比色皿中注入无水乙醇，将其放至光谱分析仪中，测量无水乙醇组的吸光度，作为实验的对照组，实验结果见图 5-a 。 

4）设置实验组。向比色皿中注入等量的新鲜菠菜滤液，再将其放至光谱分析仪中，测量色素滤液的吸收光谱，实验结果见图 5-b。

5）分析数据。在软件中查看并分析 2 组实验测量得到的吸收光谱，再通过曲线图方式直观展示不同波长光的强度分布，将 2 组实验所得的吸收光谱和曲线进行比对，即可得出结论。

 4.3.3 自制实验装置优点分析 

通过自制的光谱分析仪进行拓展实验，让学生观察到不同色素吸收光能的情况，增强学生对实验的参与度和体 验感，锻炼学生的实验设计和数据分析能力。自制实验装置有助于学生深入了解光谱分析仪的基本原理和内部结构，提升学生的实验技能和认知水平，为学生探索生物学实验奠定了坚实的基础，提供了更广阔的可能性。此外，自制的实验装置成本低廉、结构简单，易于操作和维护，提高了实验的经济性和可重复性，使师生在有限的经济预算下开发更多新的实验。

“绿叶中色素的提取与分离”实验作为教材中的经典实验案例，多层次、多角度地对实验进行优化与改进，实现了复杂实验的简易化，微观现象的可视化。自制实验装置的环节，将传统实验中的被动操作转化为学生的主动创造，使学生在实验材料的选择与实验装置的搭建过程中，更加积极主动地参与到科学探究过程中来。通过自制实验装置，让抽象的学科核心素养转化为可感知的具象化学习，既锻炼了学生的实验操作技能，又使学生在创新实践中建立起科学探究与工程技术间的立体联结，从而有效地促进学生核心素养的全面提升。