李川菊 何京 張艷華 王萍

摘要： 在變量控制法教學(xué)中融入人教版普通高中選擇性必修3“色譜分離實(shí)驗(yàn)”的改進(jìn)，在探究實(shí)驗(yàn)材料、提取方法、提取溶劑、溶劑用量等因素可能對(duì)色譜分離效果產(chǎn)生影響的實(shí)驗(yàn)中，使學(xué)生充分體驗(yàn)變量控制法在科學(xué)研究中的應(yīng)用及價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 變量控制; 色譜分離; 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）12-0065-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的內(nèi)容要求中提到“學(xué)會(huì)運(yùn)用變量控制方法研究化學(xué)反應(yīng)，了解控制反應(yīng)條件在生產(chǎn)和科學(xué)研究中的作用”[1]。2019年人教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)也將“變量控制”作為科學(xué)研究、化學(xué)學(xué)習(xí)中常用的一般方法呈現(xiàn)在方法導(dǎo)引欄目中[2]，然而在實(shí)際教學(xué)中，卻很少對(duì)此方法加以重視并進(jìn)行深入研究。本文通過對(duì)色譜分離實(shí)驗(yàn)的大膽探究，有效地補(bǔ)充了“變量控制法”教學(xué)案例，使學(xué)生充分體驗(yàn)變量控制法在科學(xué)研究中的應(yīng)用及價(jià)值。鐘輝生[3]曾提到變量控制意識(shí)是提升教師實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的四大意識(shí)之一，教師盡量設(shè)計(jì)單一變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)論與證據(jù)間的邏輯關(guān)系;徐敏[4]將“變量控制法”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想作為課堂教學(xué)的核心目標(biāo)，通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)獲得定量證據(jù)驗(yàn)證了Fe3+濃度及溶液酸堿性對(duì)FeCl3水解的影響;李發(fā)順[5]則在學(xué)習(xí)強(qiáng)電解質(zhì)與弱電解質(zhì)概念時(shí)，采用控制變量的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的一般方法，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作與設(shè)計(jì)中合理控制變量進(jìn)行探究活動(dòng)的能力。由此可見，為了加強(qiáng)對(duì)“變量控制”這一重要科學(xué)方法的學(xué)習(xí)，形成學(xué)科方法加以應(yīng)用，以實(shí)驗(yàn)為案例的教學(xué)研究是很好的策略之一。

2019版選擇性必修3第一章中提到運(yùn)用色譜法來分離提純有機(jī)物： 在碳酸鈣粉末上對(duì)植物色素溶液進(jìn)行柱色譜分離時(shí)，呈現(xiàn)出一條綠色色帶和兩條黃色色帶，分別為葉綠素、葉黃素和胡蘿卜素[6]。但在實(shí)驗(yàn)時(shí)往往得不到好的效果，對(duì)此，不少學(xué)者對(duì)實(shí)驗(yàn)中某些變量進(jìn)行了探究。董少鳴[7]篩選了菠菜、油菜、芹菜、菊花、天竺葵，分別采用冷、熱法處理，發(fā)現(xiàn)煮沸法提取的油菜色素用濾紙作為固定相進(jìn)行分離，給出了四條分離的色帶，實(shí)驗(yàn)效果較好。曹宏梅[8]則篩選了韭菜、香菜、生菜、芹菜和空心菜，采用中性氧化鋁作為固定相，混合液體（石油醚-丙酮）作為流動(dòng)相進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，呈現(xiàn)出四條分離的色帶。

為了能讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究中常用的變量控制法如何在實(shí)驗(yàn)中得以應(yīng)用，教師可提供學(xué)習(xí)資料與文獻(xiàn)，讓學(xué)生了解該實(shí)驗(yàn)存在的不足，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)資料研讀分析，與學(xué)生共同探討并總結(jié)出實(shí)驗(yàn)材料、提取方法、提取溶劑、溶劑用量等因素可能對(duì)色譜分離效果產(chǎn)生的影響。接著，教師再設(shè)計(jì)系列問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考： 如果要探討植物實(shí)驗(yàn)材料、提取方法、提取溶劑、溶劑用量等諸多因素中最優(yōu)化的條件，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)該如何避免多種因素的相互影響？提供學(xué)習(xí)資料如表1所示。據(jù)此依據(jù)“變量控制法”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

破壁機(jī)、超聲波眼鏡清洗機(jī)、水浴鍋、吹風(fēng)機(jī)、球形冷凝管、圓底燒瓶、溫度計(jì)、導(dǎo)管、集氣瓶、西林瓶、蓋玻片、毛細(xì)管、粉筆

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品

新鮮菠菜葉、韭菜葉、玉簪葉、萵筍葉，石油醚、丙酮、乙酸乙酯

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為排除水分對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾[9]，將新鮮菠菜葉、韭菜葉、玉簪葉、萵筍葉清洗干凈，小心去除莖稈放入烘箱，65℃下干燥12小時(shí)至重量恒定。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)材料的篩選

分別稱取1g干燥的菠菜葉、韭菜葉、玉簪葉、萵筍葉粉碎后裝入西林瓶，分別加入4mL石油醚，放在超聲波眼鏡清洗機(jī)中超聲提取10min，靜置;毛細(xì)滴管吸取上層液體，在距離粉筆頭約1cm處點(diǎn)樣，吹風(fēng)機(jī)吹干后，再放入盛有3mL石油醚且被石油醚蒸氣飽和的集氣瓶中展開。觀察不同植物提取液展開后的效果，篩選合適的實(shí)驗(yàn)材料。

1.3.2 提取方法的篩選

分別稱取1g上述步驟1.3.1中分離效果最好的植物3份，粉碎后裝入相應(yīng)容器，并加入4mL石油醚。分別采用超聲[10]、回流和破壁機(jī)攪拌提取10min，靜置后點(diǎn)樣，吹干，在裝有3mL石油醚的集氣瓶中展開。觀察提取分離的效果，篩選合適的提取方法。

1.3.3 單一提取溶劑的篩選

分別稱取1g上述步驟1.3.1中分離效果最好的植物，粉碎后裝入西林瓶中，分別加入4mL石油醚、丙酮和乙酸乙酯，采用實(shí)驗(yàn)1.3.2中最優(yōu)的提取方法進(jìn)行提取，靜置，點(diǎn)樣，在3mL對(duì)應(yīng)提取溶劑中密閉展開。觀察提取分離的效果，篩選合適的提取溶劑。

1.3.4 提取溶劑用量的篩選

分別稱取1g上述步驟1.3.1中分離效果最好的植物，粉碎后裝入西林瓶中，分別加入3mL、5mL、7mL、9mL、11mL 1.3.3中的最佳提取溶劑，采用實(shí)驗(yàn)1.3.2中最優(yōu)的提取方法進(jìn)行提取，靜置，點(diǎn)樣，在3mL 1.3.3中選出的最佳展開劑中密閉展開。觀察提取分離的效果，篩選合適的提取溶劑用量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 實(shí)驗(yàn)材料篩選結(jié)果與討論

1g干燥的菠菜葉、韭菜葉、萵筍葉和玉簪葉石油醚提取分離的效果見表2。

由表2可以看出，干燥菠菜葉石油醚提取和展開后的色素顯示三條色帶，為中間的綠色色帶和被綠色色帶分割的兩條黃色色帶，色帶間分離度差，不易明顯區(qū)分;干燥韭菜葉石油醚提取后的色素展開后顯示兩條色帶，分別是黃色色帶和灰色色帶，色帶分離度較菠菜葉的分離度好;干燥萵筍葉石油醚提取后的色素展開后呈現(xiàn)四條分離的色帶，從上到下依次是淡黃色色帶、灰色色帶、黃色色帶和深黃色色帶，色帶清晰且有一定分離度;干燥玉簪葉石油醚提取和分離后則呈現(xiàn)出兩條色帶，分別是黃色和灰色色帶。由此可以發(fā)現(xiàn)萵筍葉采用石油醚提取、石油醚分離具有較好的實(shí)驗(yàn)效果。因此采用萵筍葉作為該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料。

2.2 提取方法篩選結(jié)果與討論

1g干燥萵筍葉分別采用超聲、回流、破壁機(jī)攪拌提取后的色素粉筆分離效果見表3。

由表3可以看出，干燥萵筍葉超聲提取后的色素展開顯示三條分離的色帶，一條黃色色帶、一條灰色色帶和一條綠色色帶，色帶之間的分離度好，但提取出的色素組分較少?；亓魈崛『蟮纳卣归_后顯示三條色帶，分別是黃色色帶、灰色色帶和綠色色帶，色帶分離度較差。破壁機(jī)攪拌提取粉筆分離后呈現(xiàn)四條色帶，從上到下依次為黃色色帶、灰色色帶、深黃色色帶和綠色色帶，色帶數(shù)量增多，且分離度較好。由此表明破壁機(jī)攪拌提取的效果最佳，這可能是因?yàn)槠票跈C(jī)攪拌更有利于破壞植物細(xì)胞壁，加速植物代謝組分的溶出，同時(shí)攪拌也有利于快速地達(dá)到溶出平衡，提高植物代謝組分的提取效率。

2.3 單一提取溶劑篩選結(jié)果與討論

石油醚、丙酮和乙酸乙酯破壁機(jī)攪拌提取萵筍葉色素后粉筆分離效果見表4。

由表4可以看出石油醚提取后的色素粉筆分離后呈現(xiàn)四條色帶，從上至下依次為黃色、灰色、深黃色和綠色，且各色帶之間呈現(xiàn)較好的分離度。丙酮提取后呈現(xiàn)三條色帶，綠色色帶的量最大，但綠色色帶基本沒有分離開。而乙酸乙酯提取后的色素展開后看不出明顯的色帶分離。由此表明石油醚提取出的萵筍葉色素能很好地被粉筆分離。這可能是因?yàn)槭兔褬O性在這三種提取劑中最小[11]，能夠有效地提取出植物中的小極性組分，有利于粉筆的分離，而丙酮和乙酸乙酯的極性較大，提取出的組分極性也較大，不利于粉筆的分離。

2.4 提取劑用量篩選結(jié)果與討論

3mL、5mL、7mL、9mL、11mL石油醚破壁機(jī)攪拌提取后，粉筆分離的效果見表5。

由表5可以看出，萵筍葉石油醚破壁機(jī)攪拌提取后，粉筆分離的效果隨著展開劑用量的增大，呈現(xiàn)分離色帶先增多再減少的變化趨勢(shì)。7mL石油醚破壁機(jī)提取分離的效果最佳，呈現(xiàn)出五條色帶，從上到下分別為黃色色帶、深灰色色帶、灰色色帶、綠色色帶和深綠色色帶，能很好地說明植物色素的復(fù)雜性，各色帶之間也具有較好的分離度。

3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)至此，教師可對(duì)學(xué)生發(fā)問，本實(shí)驗(yàn)是否到此結(jié)束？讓學(xué)生意識(shí)到實(shí)驗(yàn)研究并未結(jié)束，應(yīng)該還要通過實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性來驗(yàn)證所得結(jié)果是否具有偶然性，以保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)和有效。因此教師可以繼續(xù)輔導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)并進(jìn)行如下重復(fù)實(shí)驗(yàn)： 1g干燥萵筍葉采用7mL石油醚破壁機(jī)攪拌提取，3mL石油醚密閉展開。呈現(xiàn)出了5條色帶，從上到下分別為： 黃色→深灰色→灰色→綠色→深綠色?？梢钥闯銎浞酃P分離的效果與上述步驟2.4中7mL石油醚提取分離的效果相當(dāng)，由此表明篩選后的方法具有較好的重現(xiàn)性。

4 結(jié)語

就本案例而言，以“色素分離實(shí)驗(yàn)”的研究為基礎(chǔ)素材，進(jìn)行“變量控制法”的教學(xué)設(shè)計(jì)，能讓學(xué)生充分體驗(yàn)“變量控制”在科學(xué)研究中的應(yīng)用和價(jià)值，深入理解這一重要科學(xué)方法。并且通過建立實(shí)驗(yàn)證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，形成證據(jù)意識(shí)，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理及實(shí)驗(yàn)探究的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。此外，本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、過程科學(xué)、教學(xué)目標(biāo)易于達(dá)成，能幫助學(xué)生在實(shí)踐中理解植物色素提取和分離的原理，了解色譜法在有機(jī)物分離提純中的應(yīng)用。該案例可應(yīng)用于一線教師的課堂教學(xué)或?qū)W生的第二課堂活動(dòng)中。

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