液氮冻干粉技术在改进小班化生物实验中的应用

1、    液氮冻干粉技术在改进小班化生物实验中的应用    张淼摘 要：高中生物学实验是中学生物教学的重要组成部分，目的是提高学生的生物科学素养， 随着高中课程改革的推进和我校小班化的实施，生物实验所占的比例越来越重，但是由于课时的限制、生物实验操作复杂、耗时、成功率低等原因，将高中生物实验引进小班化常规课堂中仍存在不少难题。因此要从实验材料、方法、设备上进行创新，节省课堂时间，化繁为简显得尤为重要。关键词：液氮；冻干粉技术；小班化；生物实验1液氮冻干粉技术在生物实验中应用重要性高中生物课本必修一中的绿叶中色素的提取和分离，是一个必修课程中的分组实验，以往

2、这个实验的传统操作方法需要老师带领学生在学习完新课后用一个课时的时间到实验室来操作，并且成功率还不是特别高，而进行改进后的实验大大简化了药品仪器的使用，仅仅需要学生操作10分钟左右，成功率非常高，可以伴随教师授課一同进行，成功的引入到小班化常规教学中，同时节约了实验成本、减轻实验老师准备实验的劳动量。实验改进主要需要一种药品液氮，液氮是一种极低温液体，是惰性的，无毒，无色，无嗅，无腐蚀性，不可燃，在常压下，液氮温度为-196。我们利用液氮的极低温瞬间就可以均匀的将菠菜绿叶的细胞冷冻粉碎成干燥细末形成冻干粉（图1），而且低温可破坏细胞壁和内膜系统使存在与菠菜叶绿体中的色素有效释放，并且低温可以保

3、存叶绿体中各种色素不被破坏。2 试验分析下面是传统实验和改进后实验的对比：传统的绿叶中色素的提取和分离实验是由两个基本步骤组成：一，研磨绿叶用无水乙醇提取绿叶中的色素；二，用层析液将绿叶中的色素层析。此实验的弊端存在于第一个实验步骤中，学生用研钵加入二氧化硅和碳酸钙作为研磨颗粒增加研磨力来研碎菠菜叶，此过程由学生操作大概需要20分钟甚至更多时间。由于在研磨过程中同时加入无水乙醇萃取色素，造成无水乙醇在研磨过程中挥发，气味难闻有害师生健康，有安全隐患，同时又造成试剂的浪费。在准备一个级部做实验时，最后几个班级同学所剩的菠菜叶片往往不够新鲜或者叶片失水，提取出的溶液色素含量少，直接影响下一步层析实

4、验结果。个别学生层析后叶黄素的细线基本看不出来，原因就是提取液中的色素含量太少不达标，而造成实验失败。传统实验还有一个问题就是污染环境，除了研磨过程中整间教室都是刺鼻的味道，个别学生研磨完毕还存在乱倒有机溶剂进下水道的陋习，污染宝贵的水源，有机溶剂挥发可燃，在下水道中遇到沼气很可能发生爆炸事件。改进后的实验由实验教师来进行第一步操作，直接将符合标准的冻干粉色素提取液提供给学生，而学生仅需要操作的实验第二步，用毛细吸管蘸取提取液涂于滤纸上，干燥后，放入层析液中进行层析观察。此实验的教学大纲要求学生需要通过观察层析现象理解色素能够溶于有机溶剂中，并且在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸

5、上的扩散速度快；反之，则慢。这样，仅仅需要几分钟之后，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分离开形成四条颜色不同的条带（图3）。因此改进后的学生实验虽然没有第一步操作，但不影响大纲要求，不但完全可以达到培养学生生物实验素质的目的，而且可以培养学生节约资源，保护环境的好习惯。具体实验操作步骤是这样改进的：（1）实验老师根据各班同学数目和分组情况（假设10组），每组3克绿叶共称取30克绿叶，放入研钵中。（2）在研钵中倒入适量液氮，以没过菠菜叶为度，等待菠菜叶被冷冻粉碎，待液氮被挥发后，用研钵锤轻轻研磨，即可得到极细的绿叶冻干粉，收集放入密封容器中，冰箱零下20摄氏度储存，可随用随取。（3）实

6、验前称取冻干粉以1g/2ml比例兑上无水乙醇溶解提取色素，300目过滤网过滤后分装形成色素提取液（图4），供学生实验使用.（4）在分装时每一小组分装5ml色素提取液，供层析的使用。注：1.绿叶冻干粉乙醇溶解液还可以用于光合色素光谱实验。2. 传统实验操作方法：（1）每一小组称取5克绿叶，剪碎，放入研钵。（2）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。（二氧化硅有助于研磨的充分，碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。）（3）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。3试验结果实验改进后的好处，除了节

7、约实验时间，可以将此实验成功引入小班化常规教学，还能够大大降低了成本，不需要提供碳酸钙，二氧化硅，研钵等药品和仪器，实验材料菠菜叶也可以节省50%以上。并大大减少实验教师劳动量，实验教师仅需要购买500克新鲜的菠菜就足够全级部大约500名的学生同时使用，因为液氮除了有冷冻粉碎的功能还有冷冻保存的功能，当制成的绿叶冻干粉后被立即放入冰箱冷冻室中，就可以保存叶绿素活性半年以上，同时可满足开放实验室使用，学生可以随到随取进行实验。液氮制冻干粉对环境无污染，比较过去传统实验整间实验室都是挥发的有机溶剂的味道，现在基本上不存在污染环境的问题。但是需要注意的是液氮是极低温的液体，实验教师操作时一定要带厚棉手套进行操作，防止冻伤，此外操作间要通风，避免液氮挥发时引起室内缺氧而发生危险。当然根据学校情况不同，在一些实验条件较好的学校，此过程也可以要求训练有素的学生兴趣小组进行操作，实现小班化的梯度教学，制作录像供上课演示，效果也非常不错。4结论液氮制作冻干粉技术，因其操作简单，效果好，降低成本，保护环境等优点，在我校除了应用于色素提取实验中，还可以应用到颜色反应和酶活性的实验当中去，效果都非常好。此技术推进了我校将高中分组实验融入小班化常规课堂中，实现授课时通过实验得出结论，真正体现生物科学从实践出真知的教学认知规律，与国际生物教学接轨，大幅度提高高中学生生物试验操作素养，可以被