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        海藻酸鈉變色微球的制備和表征

        2018-02-28 21:29:26許亮亮陳懿王曉亞王漢揚(yáng)王鳴遠(yuǎn)
        化學(xué)教學(xué) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:趣味化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        許亮亮 陳懿 王曉亞 王漢揚(yáng) 王鳴遠(yuǎn)

        摘要:以高一化學(xué)2離子鍵為知識(shí)背景,設(shè)計(jì)趣味化學(xué)實(shí)驗(yàn)。提取多種天然花青素并制備可變色海藻酸鈉微球,利用色度傳感器對(duì)可變色微球緩釋花青素的現(xiàn)象進(jìn)行定量表征。該實(shí)驗(yàn)可開拓學(xué)生的科學(xué)視野,有助于對(duì)基礎(chǔ)原理的理解,有良好的教學(xué)效果。

        關(guān)鍵詞:趣味化學(xué)實(shí)驗(yàn);天然花青素;海藻酸鈉微球制備;性質(zhì)表征;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        文章編號(hào):1005-6629(2018)1-0079-03 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

        1問題提出

        核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)必須通過各學(xué)科的教育教學(xué)來實(shí)現(xiàn)。因此發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)已成為基礎(chǔ)教育研究的必然趨勢(shì)。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分,是高中生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)。有學(xué)者對(duì)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的概念內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)層次和建構(gòu)方法等問題進(jìn)行討論,也有學(xué)者基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂效度和試題特征等方面展開研究。但基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例目前鮮有報(bào)道。

        隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步,化學(xué)已成為材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。新一輪課改蓄勢(shì)待發(fā),高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟待開發(fā)出一批既能蘊(yùn)含學(xué)科基礎(chǔ)特色又能體現(xiàn)當(dāng)代科技發(fā)展的創(chuàng)新課程,以拓展學(xué)生學(xué)習(xí)空間,引導(dǎo)不同學(xué)生學(xué)習(xí)不同的化學(xué),以適應(yīng)未來發(fā)展的多樣化需求?;谝陨纤伎迹ㄟ^實(shí)驗(yàn)嘗試成功開發(fā)“海藻酸鈉變色微球的制備和表征”趣味化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程,將其應(yīng)用于高一《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》選修課上,大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力,最終促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

        2設(shè)計(jì)思路

        《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》將高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)分為“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)維度。本實(shí)驗(yàn)基于以上五個(gè)維度,以高一化學(xué)2離子鍵為知識(shí)背景,讓學(xué)生提取多種天然花青素,制備可變色海藻酸鈉微球,利用色度傳感器對(duì)微球緩釋花青素的現(xiàn)象進(jìn)行定量表征,開拓了學(xué)生前沿科學(xué)視野,加深了對(duì)基礎(chǔ)原理的理解,取得了良好的教學(xué)效果。具體設(shè)計(jì)思路見圖1。

        3實(shí)驗(yàn)原理

        花青素也稱為花色素、花色苷,屬于生物類黃酮物質(zhì),是一種水溶性色素,隨著溶液酸堿性不同,可呈現(xiàn)多彩的顏色。已知天然存在的花青素有250多種,廣泛存在于如紫甘藍(lán)、藍(lán)莓、櫻桃、草莓、桑葚、山楂等許多植物中。花青素安全無毒,具有一定的營(yíng)養(yǎng)保健作用,但穩(wěn)定性不好,食品工業(yè)上常將其進(jìn)行微球包埋,以提高其在功能性產(chǎn)品中的可用性。從紫甘藍(lán)中提取花青素作為酸堿指示劑,學(xué)生初三時(shí)就已熟知。本實(shí)驗(yàn)采用簡(jiǎn)單的水溶液提取法,讓學(xué)生提取了紫葡萄、楊梅、車?yán)遄?、藍(lán)莓、紫甘藍(lán)、莧菜、火龍果、黑枸杞等常見水果蔬菜中的八種花青素原液,分別加入一定量的從海藻中提取的天然多糖海藻酸鈉,得到海藻酸鈉一花青素混合液。將混合液滴入CaCl2溶液中,Ca2+立即滲入海藻酸鈉液滴內(nèi)部,利用離子鍵將海藻酸鈉液滴交聯(lián)固化成球,即制得八種包埋不同花青素的海藻酸鈉變色微球。取用一定量包埋紫甘藍(lán)花青素的海藻酸鈉微球置于一定體積的37%模擬胃液中,用色度傳感器對(duì)花青素的緩釋性能進(jìn)行定量分析。

        4實(shí)驗(yàn)過程

        4.1儀器和藥品

        海藻酸鈉、紫葡萄、楊梅、車?yán)遄?、藍(lán)莓、紫甘藍(lán)、莧菜、火龍果、黑枸杞、氯化鈣、鹽酸、氫氧化鈉、胃蛋白酶、去離子水;塑料滴管、燒杯、玻璃棒、量筒、酒精燈、漏斗、濾紙、圓形篩子(10cm)、培養(yǎng)皿(9cm)、錐形瓶、Vernier色度傳感器、數(shù)據(jù)采集器

        4.2實(shí)驗(yàn)步驟

        4.2.1海藻酸鈉微球的制備和變色實(shí)驗(yàn)

        (1)稱取100g紫葡萄于燒杯中,加人50mL去離子水,煮沸5分鐘,冷卻后過濾,得到紫葡萄花青素溶液;向20mL紫葡萄花青素溶液加人0.4g海藻酸鈉,微熱至全溶,得到2%海藻酸鈉一紫葡萄花青素混合液;配制50g1%CaCl2溶液。

        (2)用塑料滴管將海藻酸鈉一紫葡萄花青素混合液逐滴滴入CaCl2溶液,5分鐘后用篩子過濾出來,即制得包埋紫葡萄花青素的海藻酸鈉變色微球。以同樣方法制備包埋楊梅、車?yán)遄?、藍(lán)莓、紫甘藍(lán)、莧菜、火龍果、黑枸杞花青素的海藻酸鈉變色微球。分別取等量微球置于堿性(pH=13)、中性(pH=7)、酸性(pH=1)溶液中,觀察變色情況。

        4.2.2包埋花青素海藻酸鈉微球緩釋性能的定量表征實(shí)驗(yàn)

        (1)向800mL去離子水中加入9mL濃鹽酸和10g胃蛋白酶,混合均勻,即制得pH=1.2的人工模擬胃液。

        (2)取200粒包埋紫甘藍(lán)花青素的海藻酸鈉微球,置于37%的100mL人工模擬胃液中,每隔一定時(shí)間取2mL溶液于比色皿,迅速放人色度傳感器中,于波長(zhǎng)565nm處測(cè)定溶液吸光度,對(duì)微球緩釋花青素性能進(jìn)行定量表征。

        5實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

        將八種海藻酸鈉一花青素溶液分別滴入氯化鈣溶液中,液滴立即交聯(lián)固化為海藻酸鈉微球,靜置5分鐘,用去離子水洗滌。將八種不同微球分別裝于三個(gè)錐形瓶中,向瓶中加入不同pH的溶液,包埋花青素的微球在不同pH溶液中顯示出不同的顏色,見表1??捎^察到八種不同微球整體上在堿性溶液中顯黃色,中性溶液中顯藍(lán)紫色,酸性溶液中顯紅色,但由于花青素來自不同植物,變色的深淺明暗又略有不同。

        將包埋紫甘藍(lán)花青素的海藻酸鈉微球置于人工模擬胃液,巧妙利用色度傳感器測(cè)定花青素緩釋和時(shí)間的變化關(guān)系。圖2為整個(gè)緩釋過程中溶液吸光度隨時(shí)間變化曲線,可以看出隨著時(shí)間增長(zhǎng),溶液的吸光度逐漸增大,最后穩(wěn)定在0.192處。因此可推測(cè)15分鐘內(nèi)緩釋花青素速率較快,整個(gè)過程緩釋速率逐漸減慢,40分鐘達(dá)到最大值。這一性質(zhì)充分說明生物可降解的海藻酸鈉微球在藥物緩釋材料中得到廣泛應(yīng)用的原因。

        6教學(xué)反思

        6.1核心素養(yǎng)培養(yǎng)要加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)與前沿科學(xué)的對(duì)接

        當(dāng)今科技發(fā)展日新月異,化學(xué)學(xué)科是在生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的相互交叉、滲透和促進(jìn)中協(xié)同發(fā)展的。因此在新一輪課改中,培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)若采取“新瓶裝舊酒”的方式顯然是不合時(shí)宜的。這就需要一線教師既要具備扎實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí),又能緊跟時(shí)代步伐,關(guān)注前沿科學(xué)成果,積極開發(fā)出體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)特色、關(guān)注前沿科學(xué)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)以高一化學(xué)2中離子鍵交聯(lián)的基本原理,借助有良好生物相容性的海藻酸鈉作為指示劑載體,通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作制備了海藻酸鈉變色微球,使學(xué)生感到利用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)也可制備出前沿科技的新材料。

        6.2核心素養(yǎng)培養(yǎng)要留足實(shí)驗(yàn)反思與持續(xù)探究的空間

        學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一段時(shí)間后包埋在微球中的花青素會(huì)緩慢釋放出來,并逐漸擴(kuò)散至整個(gè)溶液中,使溶液也顯色,其中pH<7溶液中的花青素釋放速率最快。于是學(xué)生思考能否運(yùn)用色度傳感器對(duì)緩釋性能進(jìn)行定量表征。通過查閱資料以及小組討論后,學(xué)生進(jìn)行了后續(xù)探究:配制了pH約為1.2的人工模擬胃液,恒溫至37%,將一定量的包埋紫甘藍(lán)花青素的海藻酸鈉微球置于其中,巧妙利用色度傳感器測(cè)定了微球緩釋性能和時(shí)間的變化關(guān)系。整個(gè)實(shí)驗(yàn)反思過程中,教師積極鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行大膽設(shè)想并設(shè)計(jì)方案,提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件讓學(xué)生自主探究并得出結(jié)論,真正讓學(xué)生學(xué)以致用,提升了持續(xù)自主學(xué)習(xí)的能力。

        6.3核心素養(yǎng)培養(yǎng)要關(guān)注實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生情意的互融

        作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種類型,趣味實(shí)驗(yàn)以其操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯的特點(diǎn)可以極大提高學(xué)生探索學(xué)科知識(shí)的積極性,從而提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。當(dāng)然設(shè)計(jì)趣味實(shí)驗(yàn)時(shí),也不能一味強(qiáng)調(diào)激發(fā)興趣,使趣味庸俗化,而要基于學(xué)生認(rèn)知,確定明確的教學(xué)目標(biāo),精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié),真正使學(xué)生的思維得到培養(yǎng),能力得到提高。本實(shí)驗(yàn)中學(xué)生親手實(shí)踐,短時(shí)間內(nèi)制備了多種五顏六色的變色微球,真正體會(huì)到化學(xué)實(shí)驗(yàn)的無窮魅力和應(yīng)用意義,大大激發(fā)了學(xué)生探求化學(xué)世界無窮奧秘的興趣。endprint

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