高中化学“七彩染坊”项目式学习：基于天然色素的提取、改性与应用创新实验教学设计

高中化学“七彩染坊”项目式学习：基于天然色素的提取、改性与应用创新实验教学设计

一、教学背景与设计理念

（一）教材与学情分析

【基础】本次创新性实践活动设计基于高中化学选择性必修三《有机化学基础》中“芳香烃”与“醛、酮”的衍生物性质，以及必修二“基本营养物质”中有关颜色反应的内容进行深度整合与拓展。学生已完成有机化学基础模块的学习，掌握了常见官能团的鉴别方法，具备基本的实验操作技能，如萃取、过滤、蒸馏等。然而，将理论知识综合运用于解决真实情境下的复杂问题，并实现跨学科融合的能力尚显不足。【难点】高二年级学生思维活跃，好奇心强，对具有视觉冲击力的实验现象抱有浓厚兴趣，这为开展项目式学习提供了良好的情感基础。本设计旨在引导学生跳出碎片化的知识点记忆，转向以“天然色素的提取、改性与应用”为核心驱动任务的项目式探究，在“做中学”的过程中，实现对有机化合物结构与性质关系的深度理解，并初步建立“分子设计与功能调控”的化学观念。

（二）设计理念与创新维度

本设计严格遵循《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中关于“素养为本”的教学要求，强调真实问题情境的创设与跨学科实践活动的开展。其核心理念体现在以下三个维度的创新：

1.【非常重要】内容重构的创新：打破传统教材按章节线性推进的桎梏，以“色素”这一生活化主题为线索，将植物化学（生物）、有机合成（化学）、染色工艺（工程技术）与色彩美学（艺术）有机融合，构建STEM教育视野下的综合性学习单元。

2.【重要】实验探究的创新：将验证性实验升级为探究性、设计性实验。学生不仅要“照方抓药”，更要自主设计色素提取方案、探究媒染剂对色素颜色的调控机制、评估不同面料的染色效果，经历完整的“提出问题-猜想假设-设计方案-动手实践-证据推理-交流反思”科学探究过程。

3.【热点】评价方式的创新：引入项目式学习的评价理念，采用过程性评价与终结性评价相结合的方式。不仅关注最终的“七彩染坊”作品成果，更关注学生在项目推进过程中的文献查阅能力、实验方案设计能力、团队协作能力以及面对失败时的科学态度与问题解决能力。

二、教学目标设计

（一）【核心素养】科学探究与创新意识

能够基于“如何从植物中获得稳定、鲜艳的色素”这一真实问题，独立或合作完成文献调研，设计并优化色素提取与改性的实验方案。在实验过程中，能够敏锐观察异常现象，大胆提出猜想，并通过控制变量法进行验证，体验科学探究的曲折与乐趣。

（二）【重要】证据推理与模型认知

通过对不同色素（如姜黄素、花青素）在酸碱、金属离子条件下颜色变化的探究，建立“结构决定性质，性质决定应用”的化学模型。能够运用配位化学、酸碱指示剂等原理，解释媒染剂对色素颜色和染色牢度的影响机制，形成基于证据的推理能力。

（三）【基础】宏观辨识与微观探析

能从宏观上辨识不同植物色素及其在不同条件下的颜色差异，并能从微观的分子结构（共轭体系、助色团、生色团）变化角度解释这些颜色变化的本质原因。学会使用紫外-可见吸收光谱等简易手段辅助分析色素结构与光吸收之间的关系。

（四）科学精神与社会责任

了解我国传统植物染色工艺（如“草木染”）的历史与成就，增强文化自信。在实验过程中，树立绿色化学理念，选择无毒或低毒的天然原料与媒染剂，合理处理实验废液，培养可持续发展的社会责任意识。

三、教学重难点

（一）【非常重要】教学重点

1.掌握从天然植物中提取色素的基本方法与操作要领（研磨、浸提、浓缩）。

2.探究pH值变化及不同金属媒染剂（明矾、绿矾、蓝矾）对同一色素颜色的调控规律。

3.理解色素分子结构（主要是共轭体系及配位作用）与其颜色表现的内在关联。

（二）【难点】教学难点

1.设计并实施控制变量的实验方案，以科学、严谨地探究媒染剂对色素颜色的具体影响。

2.从分子水平（如金属离子与色素分子形成配合物，改变电子能级跃迁）解释颜色变化的机理。

3.将实验室研究成果（色素提取液）创造性地应用于真丝、棉布等不同材质的布料染色，并评估染色效果（色牢度、鲜艳度）。

四、教学方法与准备

（一）教学方法

项目式学习法、小组合作探究法、实验法、文献研究法、讨论法。

（二）教学准备

1.【教师准备】

1.2.实验材料：新鲜或干燥的姜黄、紫甘蓝、茜草根、洋葱皮、红茶渣等富含色素的植物材料；纯棉白布、真丝素缎（需提前进行脱浆处理）；媒染剂：明矾（硫酸铝钾）、绿矾（硫酸亚铁）、蓝矾（硫酸铜）、石灰水等；常用试剂：乙醇、蒸馏水、稀盐酸、稀氢氧化钠溶液。

2.3.仪器设备：研磨器、烧杯、玻璃棒、酒精灯、石棉网、三脚架、漏斗、滤纸、电炉或恒温水浴锅、天平、pH试纸或pH计、剪刀、一次性手套、电吹风。有条件可准备紫外-可见分光光度计、显微镜。

3.4.学习资料：印发关于“传统植物染色工艺”“色素化学基础”等阅读材料，提供相关学术数据库或科普视频链接。

5.【学生准备】

1.6.知识储备：复习有机化学中有关官能团（酚羟基、羰基）的性质，预习金属配合物的基本概念。

2.7.分组准备：以4-5人为一组，进行组内分工（文献员、实验员、记录员、成果管理员等）。

3.8.材料搜集：鼓励学生自主搜集本地区常见的可提取色素的植物材料。

五、教学实施过程（核心环节）

本次创新实践活动总计安排4课时（每课时45分钟），分为四个阶段连续进行。

（一）第一阶段：项目启动与方案设计（1课时）

1.【重要】创设情境，引出驱动问题

教师展示一组色彩斑斓的传统“草木染”丝巾图片或实物，并播放一段非遗传承人进行植物染色的短视频。引导学生思考：这些美丽的色彩从何而来？为何同一种植物（如紫甘蓝）能染出不同的颜色？如何让染上的颜色不易褪色？从而引出本次项目的核心任务：成立“七彩染坊”研究小组，探索天然色素的奥秘，并亲手制作一件独一无二的植物染色作品。

2.【基础】组建团队，明确任务

学生按照课前分组就座。教师发放项目任务书，明确四个主要环节：色素提取、色素改性（探究影响颜色的因素）、染色应用、成果展示。各小组讨论并确定初步的研究计划，包括选择1-2种主要研究的植物材料（如第一组研究姜黄，第二组研究紫甘蓝），并进行组内分工。

3.【热点】文献调研与方案初步设计

教师指导各小组利用教师提供的资料或平板电脑查阅文献，围绕以下问题展开讨论并填写项目开题报告：

1.4.所选植物材料中可能含有何种主要色素分子？其分子结构有何特征（有无酚羟基、长共轭体系等）？

2.5.根据色素分子的溶解性（极性），设计提取方案（选用水、酒精还是其他溶剂？是否需要加热？）。

3.6.猜想可能影响该色素颜色的因素（如酸碱度、金属离子等），并初步构思探究这些影响的实验步骤（如何控制变量？如何观察和记录颜色变化？）。

4.7.教师巡视各小组，参与讨论，对方案的可行性和安全性进行指导，强调控制变量法和对照实验设计的【重要性】。

（二）第二阶段：色素提取与初步探究（1课时）

1.【基础】实践操作：天然色素的提取

各小组根据第一阶段设计的方案，动手提取色素。

1.2.例如，研究紫甘蓝的小组，将紫甘蓝叶片剪碎，用研磨器捣烂，分两份，一份用蒸馏水浸泡/加热，另一份用酒精浸泡/加热，比较不同溶剂的提取效果。

2.3.研究姜黄的小组，将姜黄粉末用酒精进行浸提，因为姜黄素在酒精中溶解度更好。

3.4.教师巡回指导，规范学生使用酒精灯、电炉等加热设备的操作，强调安全。提醒学生注意观察并记录提取液的原色。

5.【重要】阶段性成果：色素粗提液的分析

提取完毕后，各小组展示并对比所得色素的颜色和澄清度。教师引导学生思考：

1.6.为什么不同溶剂提取出的紫甘蓝溶液颜色可能深浅不一？（溶剂极性影响提取效率，也可能提取出不同比例的色素组分）

2.7.得到的提取液是单一成分吗？（引出可能含有多种色素，为后续探究埋下伏笔）

指导学生将提取液进行过滤，得到相对澄清的色素母液，分装保存，备用。

8.【热点】初探“酸碱魔法”

以紫甘蓝提取液为例（因花青素对pH敏感），教师进行演示或指导学生进行快速探究：取少量提取液于点滴板，分别滴加稀盐酸和稀氢氧化钠溶液，观察并记录颜色的剧烈变化（酸性变红，碱性变蓝/绿）。提问：这种颜色变化背后的微观原因是什么？引出色素分子结构随pH值改变而发生互变异构，导致共轭体系变化的原理，为后续更复杂的金属离子探究做铺垫。

（三）第三阶段：【非常重要】核心探究：媒染剂的调控魔法（1.5课时，可连堂）

这是整个项目的核心环节，重点探究金属离子作为媒染剂对色素颜色的影响，并引导学生尝试解释机理。

1.提出新问题，引入媒染剂

教师展示一块用姜黄染出的黄色布料，和一块用姜黄加绿矾染出的带有古旧感的“铁灰色”布料。提问：为什么加了不同的金属盐，颜色会发生如此大的变化？这些金属盐（媒染剂）在此扮演了什么角色？从而引出本次探究的核心主题——媒染剂对颜色的调控。

2.【非常重要】分组实验：探究金属媒染剂的影响

各小组基于自己提取的色素（姜黄、紫甘蓝、茜草等），设计并实施探究实验。

1.3.实验设计：取若干支试管，分别加入等量的色素提取液。然后，分别向试管中加入等量、等浓度的不同媒染剂溶液（明矾、绿矾、蓝矾），并设置一个不加媒染剂的对照组。轻轻振荡混匀，静置片刻，观察并记录溶液颜色的变化。

2.4.现象记录与初步分析：

1.3.5.姜黄组：对照组为亮黄色。加明矾（Al³⁺）颜色可能略微鲜亮；加绿矾（Fe²⁺/Fe³⁺）迅速变为墨绿/棕褐色；加蓝矾（Cu²⁺）可能变为土黄或略带绿色调。

2.4.6.紫甘蓝组：对照组颜色取决于当前pH（需记录原液pH）。加入不同金属离子后，颜色变化比单纯酸碱变化更为复杂，可能生成新的沉淀或络合色。

5.7.【难点】深度引导：教师引导学生思考：为何Fe³⁺引起的颜色变化远大于Al³⁺？这与金属离子的电子层结构、极化能力以及与色素分子中配位原子（如酚羟基的O）形成配合物的稳定性有关。Fe³⁺具有较强的空轨道和极化能力，更容易与色素分子形成稳定的有色配合物，从而显著改变其最大吸收波长，导致颜色剧变。而Al³⁺配合能力相对较弱，影响较小。

8.拓展探究：同浴、预媒、后媒

教师进一步介绍，在实际染色工艺中，媒染剂与色素的结合有三种方式：同浴（染液与媒染剂同时进行）、预媒（布料先媒染再染色）、后媒（布料先染色再媒染）。鼓励有兴趣的小组利用棉布条，对同一种色素（如姜黄）采用这三种不同的媒染工艺，比较最终布样颜色的差异，深入理解媒染剂与色素、纤维三者之间的相互作用。这部分可作为选做或课后拓展，【重要】但不强制要求所有小组完成。

（四）第四阶段：【热点】创意染色与成果展示（1.5课时，可连堂）

1.染色实践：从溶液到织物

各小组综合前期的研究成果，为自己的“七彩染坊”创作作品。

1.2.设计染色方案：学生根据想要得到的最终颜色效果，选择特定的色素原液，并决定是否需要以及何时添加何种媒染剂。例如，想得到绿色调，可以用紫甘蓝提取液在碱性条件下（本身就偏绿），再加一点蓝矾或绿矾加深效果；想得到复古黄，则用姜黄加绿矾。

2.3.动手染色：将经过脱浆处理的小块白棉布或真丝缎，用清水润湿后，投入到配制好的染浴中，加热并不断搅拌，持续染色20-30分钟。染色过程中可观察布料颜色的变化。取出布料，冲洗浮色，在电吹风下烘干或自然晾干。可尝试扎染技法，创作图案。

3.4.后媒处理：对于采用预媒或同浴法染色效果不佳的，可尝试后媒法，即先将布料用色素染色，洗净后再放入媒染剂溶液中浸泡固色，观察颜色变化。

5.【难点】成果评价与色牢度测试

各小组展示最终染色作品，并从以下几个方面进行自评与互评：

1.6.色彩效果：是否达到了预期的颜色？颜色是否鲜艳、均匀？

2.7.【高频考点】色牢度初步测试：用一块湿的白布（或湿纸巾）用力擦拭染色后的干布料，观察白布上是否沾色。用此简易方法评估染色样品的耐摩擦色牢度。教师引导学生思考：为什么加了媒染剂后，色牢度通常会提高？（因为色素分子通过金属离子与纤维分子形成了更牢固的结合，从物理吸附变成了化学键合或配位结合）。

3.8.创新性：作品是否有独特的设计构思或图案？

9.跨学科融合：光谱分析（可选）

若有条件，教师可选取颜色差异最大的几组色素溶液（如姜黄原液、姜黄+Fe³⁺液），用紫外-可见分光光度计扫描其吸收光谱。引导学生观察吸收峰位置（λmax）的移动，直观地理解颜色变化（补色原理）与吸收光波长变化的对应关系。将宏观的颜色感知与微观的光谱数据联系起来，【非常重要】提升科学探究的深度。

10.【重要】项目总结与反思

各小组整理实验记录、照片和反思，制作成简短的PPT或海报，进行5分钟的项目汇报。汇报内容包括：研究的问题、提出的方案、实施的过程、遇到的困难及解决方法、最终成果、以及在整个项目中对化学（特别是结构与性质关系）的新认识。教师对各小组的项目完成情况进行点评，肯定优点，指出不足，并引导全班同学共同总结从天然色素到七彩世界的科学原理与工艺之美。

六、教学评价设计

本次教学设计采用多元化评价体系，全面衡量学生素养发展。

（一）过程性评价（占比60%）

1.【基础】方案设计能力（15%）：项目开题报告的完整性、科学性、可行性。文献查阅的深度与广度。

2.【重要】实验操作与探究能力（25%）：实验操作的规范性、安全性；能否主动观察并记录现象；能否在遇到问题时提出合理猜想并尝试解决；团队协作中的参与度与贡献度。

3.【热点】过程记录与数据分析（20%