探究式學習培養(yǎng)初中生化學核心素養(yǎng)*
——以花瓣色素制取植物酸堿指示劑為例

七林竹瑪，李曼彎，楊艷華**，李艷妮，王穎臻

(1.昆明學院化學化工學院，云南 昆明 650214；2.蒙自市第一高級中學，云南 紅河 661100)

作為學習方式的科學探究活動和過程稱為探究性學習[1]。探究式學習有利于在三維目標上培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)[2]。通過設計探究式實驗，使學生在已有基礎上主動構建知識體系，不僅有利于學生學習能力和方法的培養(yǎng)與訓練[3]，而且還能激發(fā)和滿足學生的好奇心，促使學生主動發(fā)現(xiàn)問題和分析問題[4]，培養(yǎng)學生實驗探究與創(chuàng)新意識的學科核心素養(yǎng)。初中化學課本中，有關于自制酸堿指示劑的探究活動，主要使用牽?；?、月季花和紫甘藍等植物的花瓣或果實進行探究[5]，在實際教學中，教師可充分利用學校的學習環(huán)境，發(fā)掘日常生活和生產(chǎn)中的學習素材，編制學生實驗和科學探究活動[6]，提供多樣化的中學化學實驗教學內容。本文通過提取昆明學院洋浦校區(qū)綠化種植的格桑花、黃槐和三角梅等植物的花瓣色素，探究其作為酸堿指示劑的可能性，不僅可以為后續(xù)教育實習和實驗教學的開展提供素材，而且也可以通過探究式學習進一步培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)。

1 材料與方法

1.1 藥品與試劑

粉色、白色格桑花采集于本校洋浦校區(qū)博識樓明德路旁，三角梅和黃槐花采集于聽心湖畔立德路旁，如圖1所示。乙醇(95%)、氨水(25%～28%)、氫氧化鈉(97%)、鹽酸(37%)和冰醋酸，均為分析純，購自上海麥克林生化科技有限公司。蒸餾水為實驗室自制。

(a)粉色格?；?；(b)白色格?；?；(c)黃槐和；(d)三角梅。

1.2 儀器

精宏電熱恒溫鼓風干燥箱、燒杯、膠頭滴管、玻璃棒、托盤天平(帶砝碼)、研缽、樣品瓶、量筒。

1.3 實驗方法

1.3.1 提取花瓣色素

采集所需的4種新鮮植物花瓣，蒸餾水洗凈表面塵灰后烘干。稱取 3.0 g 烘干后的花瓣于研缽中搗碎，再加入10 mL乙醇研磨5 min，靜置30 min后，取上層清液，記錄不同植物提取液的顏色，并進行編號，如圖2所示。

圖2 4種色素提取液及顏色

1.3.2 植物酸堿指示劑可行性測試

以裝有20滴HCl溶液(pH=2)和20滴NaOH溶液(pH=12)的兩個樣品瓶為一組，進行分組實驗。向每組實驗樣品中滴加6滴植物提取液，觀察其顏色變化，并與原顏色對比，記錄變色色差程度。所有植物色素提取液均按照上述步驟進行處理，根據(jù)色素提取液變色色差程度，挑選可行性較好的幾種提取液，進一步探究。

1.3.3 具體探究

用初始濃度均為 1 mol/L 的NaOH、NH3·H2O、CH3COOH、HCl、H2O配制pH值分別為1～14、溶液體積為 20.0 mL 的系列溶液[7]，配制方法如圖表1所示。配制完成后，各取 5 mL 放置于編號為1～14個樣品瓶中，向樣品瓶各滴3滴經(jīng)可行性測試挑選出的色素提取液。觀察色素提取液在酸性溶液和堿性溶液中的顏色變化，判斷相應植物是否可以用來制作酸堿指示劑。

表1 pH值為1～14的溶液配制方法

2 結果與分析

2.1 實驗結果

2.1.1 植物酸堿指示劑可行性測試

植物酸堿指示劑可行性測試結果如表2所示。實驗結果顯示，植物色素在酸性溶液和堿性溶液中會顯現(xiàn)不同的顏色。其中，粉色格?；ǖ姆奂t色提取液(編號①)在酸性溶液中表現(xiàn)為紅色、堿性溶液表現(xiàn)為綠色，如圖3所示。三角梅的紫色提取液(編號④)在酸性溶液表現(xiàn)為紫色、堿性溶液表現(xiàn)為綠色。兩種色素提取液本身的顏色與在酸堿溶液中的顏色色差比較明顯，相較之下更符合酸堿指示劑的要求。因此，選擇編號①④素色提取液在不同pH溶液中的顯色情況進行具體探究。

表2 色素提取液在酸性和堿性溶液中的顯色情況

圖3 不同色素提取液在酸堿溶液中的顯色情況

2.1.2 具體實驗

在編號①和④的色素提取液中，分別滴加3滴pH不同的溶液，搖勻，使色素提取液與酸堿溶液充分混合，靜置 30 s，觀察顯色情況，實驗結果如圖4和圖5所示。

圖4 粉色格?；ㄌ崛∫?編號①)在pH值從1～14的溶液中的顯色情況

圖5 三角梅提取液(編號④)在pH值從1～14的溶液中的顯色情況

由圖4可知，粉色格?；ㄉ靥崛∫涸趐H值為1～14的溶液內變色明顯，變色范圍大約為pH為1～2(玫紅色)、3～6(粉紅色)、7(粉紅色)、8～9(黃綠色)及10～14(黃色)間，顏色變化較為明顯。同時，變色范圍也較窄，在不同pH值的溶液下可以起到很好的酸堿指示效果，因此，可用作酸堿兩性指示劑。

由圖5可知，紫色三角梅色素提取液在pH值為1～7的溶液中顯紫色，顏色隨酸性減弱而變淺，但沒有明顯的變色范圍；在pH為8～9的溶液中顯黃綠色，而在pH值為9～14的溶液中顯黃色。紫色三角梅色素提取液在酸堿溶液中顏色突變明顯，可以很好的指示酸性溶液和堿性溶液，但變色范圍較寬，無法精細指示不同pH的溶液，因此，可用作廣泛的堿性指示劑。

2.1.3 說明

可行性測試中取6滴植物提取液滴定鹽酸和氫氧化鈉，具體實驗則取3滴提取液加入到 5 mL 不同pH的溶液中，可行性測試所加的植物提取液含量較多，因此顏色變化較深。粉色格?；ㄌ崛∫?編號①)、紫色三角梅提取液(編號④)在可行性測試中顯綠色和黃綠色，而在具體實驗中則表現(xiàn)為黃色。

2.2 實驗分析

2.2.1 實驗可行性分析

酸堿指示劑的發(fā)現(xiàn)是科學家善于觀察，勤于思考，勇于探索的結果。300多年前，英國科學家波義耳誤將鹽酸灑在紫羅蘭花瓣上發(fā)現(xiàn)顏色發(fā)生變化，從這一細節(jié)出發(fā)經(jīng)過不斷探究最終發(fā)現(xiàn)了指示劑原理。今天，我們所使用的石蕊、酚酞、pH試紙，就是根據(jù)波義耳的發(fā)現(xiàn)原理研制而成的。其本質就是一類結構較為復雜的有機弱酸或有機弱堿，它們在溶液中能部分電離出指示劑離子和H+(或OH-)。由于結構上的變化，它們的分子和離子具有不同的顏色，在不同的pH中呈現(xiàn)的顏色不同，因此可以指示酸堿性。以石蕊為例，石蕊是一種藍紫色粉末，可從地衣類植物中提取得到，溶于水后顯紫色，是一種有機弱酸。石蕊(主要成分用HIn表示)在水溶液中能發(fā)生如下電離：

在酸性溶液中，石蕊主要以分子形式存在，溶液顯紅色；在堿性溶液中，OH-與H+結合，促使電離平衡正向移動，In-濃度增大，成為溶液中主要存在形式，溶液顯藍色。中性溶液中，紅色分子與藍色離子共存，且含量相當，又因為紅色與藍色混合顯紫色，故溶液呈紫色。進而有了我們現(xiàn)在總結的石蕊變色范圍：當pH小于5.0時，顯紅色；當pH大于8.0時，顯藍色[8]。

許多植物的花果莖葉中有都含有色素，這些色素在酸性溶液或堿性溶液中顯示不同的顏色，因此可以用來制作酸堿指示劑。在可行性測試中，可以看出，植物提取液在酸性條件(或堿性條件)都一定程度的發(fā)生了顏色的改變，只是有些不太明顯，不利于觀察。例如，黃槐花瓣提取液本身是黃色，在堿性溶液中顏色加深變?yōu)樯铧S色，這與它本身顏色相近，不適合用來制作酸堿指示劑。粉色格?；ê妥仙敲废噍^就更符合酸堿指示劑的要求。

2.2.2 實驗結果分析

色素提取液在不同pH值的溶液中都有一定的變色范圍，其大致規(guī)律為：

酸性 中性 堿性

(紅色，紫色) (綠色，黃色)

原因：花色素是一類重要的水溶性植物色素，屬于類黃酮，其基本結構由一個吡喃酮和兩個苯環(huán)組成，如圖6所示。其與酸反應，生成穩(wěn)定的鹽而顯紅色；在堿存在的情況下，取代吡喃酮右邊的苯環(huán)的R4部分生成醌型結構，顏色顯藍?；ㄉ卦趬A性條件下不穩(wěn)定，容易變色，有些不會變藍，反而顯黃色或綠色，這可能是植物體中除含有花色素外，還含有其他黃酮類物質(酸性無色、堿性呈黃色)，在堿性條件下顯綠色，這是花色素的藍色和黃酮類的黃色混合后的結果[9]。

(a)類黃酮結構、(b)醌型結構(取代基R1和R2為H、OH或OCH3,R3為H或糖基，R4為OH或糖基)

3 結論

以花瓣色素制取植物酸堿指示劑實驗中，提取的粉色格?；ㄉ丶白仙敲飞卦谒嵝?、堿性溶液中變色明顯且易于觀察，可用于制作酸堿指示劑。通過這一結論，表明探究植物提取液制作酸堿指示劑的實驗設計在教學實踐是可行的，它具有原料易得、操作簡單、安全不污染環(huán)境、培養(yǎng)學生實驗探究與創(chuàng)新意識等優(yōu)點。

探究學習能夠激發(fā)學習的化學學習興趣，是創(chuàng)設生動活潑的的化學教學情境的重要形式，是轉變學生學習方式和發(fā)展實驗探究能力的重要途徑，是落實情感態(tài)度與價值觀目標的重要手段。教師用學校中的植物帶領學生進行自制植物酸堿指示實驗，不僅能培養(yǎng)學生的實驗探究和創(chuàng)新意識的科學素養(yǎng)，還能將化學學習與實際生活密切聯(lián)系，增加學生學習化學的興趣。