基礎(chǔ)色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化改革的實(shí)踐與思考
——綠葉色素的分離：紙上色譜、薄層色譜與柱色譜

趙 璐， 柏珊珊， 劉樹(shù)仁， 饒桂維， 都韶婷， 馮建躍，2

（1.浙江樹(shù)人學(xué)院交叉科學(xué)研究院化學(xué)與生物基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州 310015；2.浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備處，杭州 310058）

0 引 言

2020 年8 月，“交叉學(xué)科”被教育部正式確立為第14 個(gè)學(xué)科門類，國(guó)家自然科學(xué)基金委也在傳統(tǒng)的8 個(gè)學(xué)部之上新設(shè)立了交叉科學(xué)部。學(xué)科間的交叉融合已成為未來(lái)科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)［1-3］。在這樣的背景下，我校于2020 年6 月成立了交叉科學(xué)研究院，旨在推進(jìn)化學(xué)、環(huán)境與跨學(xué)科研究和化學(xué)與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)。在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，也積極嘗試突破傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)之間的壁壘，將具有相似原理、相似操作，可以進(jìn)行類比教學(xué)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行融合，以期取得更卓越的教學(xué)效果。

色譜技術(shù)是最重要的復(fù)雜物質(zhì)分離分析技術(shù)，其中紙上色譜、薄層色譜和柱色譜是色譜技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。此3 種色譜方法在實(shí)驗(yàn)原理和操作方面存在較大的相似性，但又各具特點(diǎn)而適用于不同的場(chǎng)景。本課程改革嘗試將上述3 種色譜方法融合于同一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)中，并以學(xué)生為中心，融入實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和思政教學(xué)等元素，旨在促進(jìn)學(xué)生更系統(tǒng)掌握這3 種基礎(chǔ)色譜操作方法及各自的特色，提升復(fù)雜物質(zhì)分離分析的技能。

1 基礎(chǔ)色譜實(shí)驗(yàn)課程改革的意義

1.1 單立同質(zhì)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使思維受限且浪費(fèi)資源

在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，紙上色譜、薄層色譜和柱色譜這3 種基礎(chǔ)的色譜實(shí)驗(yàn)操作常被分散于無(wú)機(jī)、分析和有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的不同課程中進(jìn)行。金建忠等［4］主編《基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》中“紙上色譜—無(wú)機(jī)離子的分離和鑒定”實(shí)驗(yàn)，其主要目的在于學(xué)習(xí)紙上色譜操作方法，并通過(guò)比移值的計(jì)算和不同離子的特殊顯色來(lái)鑒定無(wú)機(jī)離子；唐向陽(yáng)等［5］主編《基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》中的有機(jī)制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了天然色素的提取及薄層色譜分析；肖玉梅等［6］主編《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》中分為了3 個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，即甲基橙和亞甲基藍(lán)的柱色譜分離實(shí)驗(yàn)，苯胺和鄰苯二胺的紙上色譜實(shí)驗(yàn)，以及間硝基苯胺和偶氮苯的薄層色譜實(shí)驗(yàn)。將這3 種色譜手段單獨(dú)設(shè)立實(shí)驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行教學(xué)，一方面，局限了學(xué)生思維，只能了解每種色譜方法的基本原理和操作步驟，而無(wú)法理解彼此之間的差異、聯(lián)系及互補(bǔ)關(guān)系；另一方面，造成教學(xué)時(shí)間和教學(xué)資源的浪費(fèi)。單獨(dú)設(shè)立課程需要單獨(dú)分配教學(xué)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)資源，導(dǎo)致整體基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)長(zhǎng)增加，壓縮了其他實(shí)驗(yàn)或者課程的教學(xué)空間；同時(shí)，學(xué)生需要反復(fù)學(xué)習(xí)相似的概念和操作，也增加了學(xué)習(xí)的時(shí)間成本。

1.2 基礎(chǔ)色譜操作串通教學(xué)可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思路

紙上色譜、薄層色譜和柱色譜都是基于物質(zhì)在流動(dòng)相和固定相之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離。雖然在基本原理、實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果分析方面存在一致性，但是這3 種色譜手段也因?yàn)楸舜说牟町惗m用于不同的分離分析場(chǎng)景。紙上色譜和薄層色譜適用于小樣品量和快速分析，而柱色譜適用于大樣品量的分離制備以及復(fù)雜化合物的分離純化。因此，將這3 種色譜操作串通教學(xué)更易讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到這3 種色譜方法的差異，有助于理解它們之間的聯(lián)系和相互補(bǔ)充的關(guān)系，促使學(xué)生學(xué)習(xí)如何根據(jù)樣品的性質(zhì)和分離的目的選擇合適的色譜方法，激發(fā)學(xué)生思考，學(xué)會(huì)如何在不同的實(shí)際問(wèn)題中綜合應(yīng)用這些色譜方法來(lái)解決復(fù)雜的物質(zhì)分離問(wèn)題。開(kāi)設(shè)綜合色譜實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生全面理解基礎(chǔ)色譜技術(shù)，并培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)技能、問(wèn)題解決能力和實(shí)際應(yīng)用能力。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類，在認(rèn)知領(lǐng)域，教育目標(biāo)分為知識(shí)、領(lǐng)會(huì)、運(yùn)用、分析、綜合、評(píng)價(jià)六類。其中知識(shí)、領(lǐng)會(huì)和運(yùn)用是較低級(jí)的認(rèn)知目標(biāo)，分析、綜合和評(píng)價(jià)為高層次的認(rèn)知目標(biāo)［7-8］。本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)在于全方位培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)。在知識(shí)方面，能讓學(xué)生掌握紙上色譜、薄層色譜和柱色譜的基本實(shí)驗(yàn)手段，能夠進(jìn)行規(guī)范的色譜操作，并準(zhǔn)確計(jì)算比移值；在能力方面，能讓學(xué)生根據(jù)比移值評(píng)價(jià)色譜方法的優(yōu)劣，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，得出科學(xué)的結(jié)論，并比較不同色譜方法的適用性；在素質(zhì)培養(yǎng)方面，能讓學(xué)生建立分離科學(xué)基本的實(shí)驗(yàn)體系，形成復(fù)雜物質(zhì)分離分析的整體實(shí)驗(yàn)思路，培養(yǎng)科學(xué)思維，樹(shù)立環(huán)保意識(shí)，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。為了實(shí)現(xiàn)這一培養(yǎng)目標(biāo)，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)框架與流程

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)綠葉色素進(jìn)行分離分析進(jìn)行紙上色譜、薄層色譜與柱色譜3 種色譜方法的教學(xué)，具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和框架流程見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和框架流程

課程開(kāi)展前，學(xué)生通過(guò)講義以及線上平臺(tái)進(jìn)行自主預(yù)習(xí)。學(xué)生們?cè)谕瓿深A(yù)習(xí)測(cè)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇探索課題進(jìn)行分組，閱讀教師提供的參考文獻(xiàn)［9-14］或通過(guò)自行資料查找后進(jìn)行方案設(shè)計(jì)并在課前提交設(shè)計(jì)方案。在課堂上，教師首先進(jìn)行預(yù)習(xí)測(cè)驗(yàn)的講解，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上對(duì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)和操作細(xì)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)調(diào)演示，并引導(dǎo)同學(xué)們對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案開(kāi)展討論，在充分可行的基礎(chǔ)上分組開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）使用乙酸乙酯提取菠菜葉中的綠葉色素（見(jiàn)圖2）。綠色植物中富含葉綠素、葉黃素和胡蘿卜素等植物色素，這些植物色素可以通過(guò)簡(jiǎn)單的有機(jī)溶劑萃取即可獲得，并且它們具有明顯的顏色差異。例如，葉綠素a（C55H72O5N4Mg）為藍(lán)綠色，葉綠素b（C55H70

圖2 菠菜色素的提取、紙上色譜、薄層色譜及柱色譜分離過(guò)程

O6N4Mg）為黃綠色，胡蘿卜素（C40H56）為橙黃色，是具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的共軛多烯；葉黃素（C40H56O2）為黃色，是胡蘿卜素的羥基衍生物，又稱為類胡蘿卜素。通過(guò)觀查它們的顏色差異，即可實(shí)現(xiàn)有效的分辨。豐富多彩的顏色變化也在一定程度上增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

（2）通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)保證學(xué)生掌握紙上色譜、薄層色譜和柱色譜的基本操作手段以及結(jié)果分析方法。紙上色譜以定性濾紙為固定相，石油醚為流動(dòng)相，在試管中展開(kāi)分離，記錄展開(kāi)劑前沿，觀察分離結(jié)果；薄層色譜以商業(yè)化的硅膠薄層板為固定相，6∶4的石油醚和丙酮（體積分?jǐn)?shù)）為流動(dòng)相，在層析杠中展開(kāi)分離，記錄展開(kāi)劑前沿，觀察分離結(jié)果，計(jì)算比移值；柱色譜以150 ～160 目的中性氧化鋁為固定相，分別用9∶1的石油醚和丙酮（體積分?jǐn)?shù)）以及4∶1的乙醇和水（體積分?jǐn)?shù)）為洗脫劑進(jìn)行洗脫，觀察洗脫效果。

（3）固定相以及流動(dòng)相是色譜分離過(guò)程中最重要的影響因素，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了探究選題。將學(xué)生分組進(jìn)行不同選題的探究，主要選題包括：

①研究紙上色譜中不同的展開(kāi)劑種類對(duì)于菠菜色素分離的影響。在紙上色譜展開(kāi)劑的探究過(guò)程中，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生比較不同的展開(kāi)劑種類對(duì)于菠菜色素的分離效果的影響。在紙上色譜中，最常用的展開(kāi)劑種類包括石油醚、四氯化碳、丙酮等，不同的溶劑在極性方面有較大的差異，通過(guò)不同的展開(kāi)劑的分離能力讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)展開(kāi)劑極性在色素分離過(guò)程中的影響。

②研究薄層色譜中不同的展開(kāi)劑組成對(duì)于菠菜色素分離的影響。在薄層色譜的探究過(guò)程中，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生比較相同的展開(kāi)劑在不同的組成比例條件下的分離效果，以石油醚和丙酮為展開(kāi)劑，設(shè)置不同的組成比，通過(guò)對(duì)分離結(jié)果的觀察，從而了解石油醚和丙酮在綠葉色素在薄層色譜分離過(guò)程中所起到的不同作用。

③研究柱色譜中不同的固定相對(duì)于菠菜色素分離的影響。在柱色譜分離過(guò)程中，最常用的固定相包括硅膠、中性氧化鋁、樹(shù)脂、氟羅里硅土、C18 等，然而在色素的柱色譜分離過(guò)程中最常用的為硅膠和中性氧化鋁，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)，確定不同的固定相以及洗脫劑，觀察不同固定相對(duì)于綠葉色素的分離效果。

④進(jìn)行小組匯報(bào)和討論。在探究選題充分開(kāi)展實(shí)驗(yàn)、得出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果后，進(jìn)行匯報(bào)交流和討論，得出明確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在課后通過(guò)線上平臺(tái)分享各組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交和反饋。

通過(guò)這種探究式的學(xué)習(xí)方法，學(xué)生將有機(jī)會(huì)自主選擇研究課題，并進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作。這將培養(yǎng)他們的科研能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，并使他們更深入地理解不同展開(kāi)劑和固定相在色譜分離中的作用。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中充分發(fā)揮自主能動(dòng)性，積極投入到實(shí)驗(yàn)課程中。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

3.1 開(kāi)展線上線下混合式教學(xué)

采用混合式教學(xué)方法［15］，通過(guò)微信學(xué)習(xí)群和學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)，分享實(shí)驗(yàn)基本原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作視頻、參考文獻(xiàn)等學(xué)習(xí)資料。學(xué)生在課前展開(kāi)充分的自主學(xué)習(xí)，掌握基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行自我測(cè)評(píng)。在此基礎(chǔ)上，選擇探索性實(shí)驗(yàn)課題，組成實(shí)驗(yàn)小組，通過(guò)對(duì)提供的文獻(xiàn)進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。在課堂上著重于操作能力的鍛煉和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展和驗(yàn)證。線上平臺(tái)讓師生之間的溝通更為便利，也讓寶貴的課堂時(shí)間得以充分利用，提高課堂效率。

3.2 調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)參與度

以學(xué)生為中心，開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，包括課前的預(yù)習(xí)自學(xué)、分組，對(duì)研究課題進(jìn)行深入探索。課程中，學(xué)生在實(shí)際操作和分析過(guò)程中將面臨各種挑戰(zhàn)和問(wèn)題，通過(guò)自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作解決問(wèn)題，學(xué)生能夠培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)造性思維，并將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際情境中。隨后的小組方案設(shè)計(jì)匯報(bào)等多樣性的教學(xué)活動(dòng)內(nèi)容也將激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，老師的引導(dǎo)和支持也為學(xué)生提供必要的指導(dǎo)和反饋。

3.3 注重過(guò)程性評(píng)價(jià)

從多維度來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)效果，包括出勤、操作規(guī)范、課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。通過(guò)多元化的評(píng)價(jià)流程來(lái)對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，便于了解學(xué)生的知識(shí)掌握情況以及能力培養(yǎng)的達(dá)成情況。實(shí)驗(yàn)成績(jī)及時(shí)反饋，讓學(xué)生及時(shí)了解自己的學(xué)習(xí)效果，查漏補(bǔ)缺，強(qiáng)化不足。

4 課程思政

課程思政是高等教育改革的重要內(nèi)容之一。教育部明確指出要結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)分類推進(jìn)課程思政，讓每一門專業(yè)課程都能夠發(fā)揮好思政育人的作用［16-17］。本實(shí)驗(yàn)課程也充分引入思政元素，強(qiáng)化育人作用。

（1）將屠呦呦與青蒿素的故事引入課程，讓同學(xué)們更好理解天然物質(zhì)提取的意義和實(shí)際應(yīng)用。屠呦呦和她的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年研究，成功從中草藥青蒿中提取分離出了青蒿素，為治療瘧疾做出重要貢獻(xiàn)，并于2015 年獲得我國(guó)本土科學(xué)家在自然科學(xué)領(lǐng)域的第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。青蒿素的提取分離與本門課程密切相關(guān)，作為課程導(dǎo)言導(dǎo)入課程主題，能夠迅速集中學(xué)生的注意力，體會(huì)科學(xué)魅力和價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本土科學(xué)家的認(rèn)同和敬意，厚植愛(ài)國(guó)熱情［18］。

（2）將我國(guó)色譜領(lǐng)域的奠基人盧佩章院士的故事引入本課程。盧佩章院士是杭州人，本校地處杭州，學(xué)院也珍藏有盧佩章院士簽名的《難忘的歲月》實(shí)物書籍，該書記錄了老一輩科學(xué)家在艱苦的實(shí)驗(yàn)條件下仍然努力工作，克服一個(gè)個(gè)難題的故事，充分體現(xiàn)了老一輩科學(xué)家的奮斗精神。在本實(shí)驗(yàn)討論中引入杭州人士盧佩章院士的故事，能夠增強(qiáng)同學(xué)們的自豪感和自信心，激發(fā)科學(xué)熱情和責(zé)任擔(dān)當(dāng)，啟發(fā)他們?cè)趯W(xué)習(xí)中追求卓越、勇往直前。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的有機(jī)溶劑以及手套等耗材。通過(guò)對(duì)有機(jī)溶劑的回收集中處理，倡導(dǎo)珍惜使用耗材，樹(shù)立學(xué)生的安全環(huán)保意識(shí)。此外，課程內(nèi)容還涉及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和探索。在此過(guò)程中，教師鼓勵(lì)學(xué)生合作、相互支持，共同完成完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，幫助學(xué)生切實(shí)體會(huì)科研精神和團(tuán)結(jié)精神。

5 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)的改革重點(diǎn)在融合相似性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入探究課題和思政元素，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力和素養(yǎng)全方位、多層次的人才培養(yǎng)目標(biāo)。經(jīng)實(shí)踐后，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的熱情有了明顯的提高，能夠在課前積極主動(dòng)的完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，積極參與方案設(shè)計(jì)，并在課堂主動(dòng)提問(wèn)和分享實(shí)驗(yàn)成果。學(xué)生們普遍表示他們更喜歡探究式學(xué)習(xí)的方式，小組合作匯報(bào)增進(jìn)了交流，提高了團(tuán)隊(duì)合作能力，也對(duì)科學(xué)探究產(chǎn)生了濃厚的興趣，這一點(diǎn)也從學(xué)生們對(duì)于各類學(xué)科競(jìng)賽的參賽熱情上得到了很好的印證。2021 ～2022 年，班內(nèi)學(xué)生獲“中國(guó)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽”銀獎(jiǎng)1 項(xiàng)目，“全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽”二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2 項(xiàng)，“浙江省大學(xué)生化學(xué)競(jìng)賽”一等獎(jiǎng)2 項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)等多項(xiàng)學(xué)科競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)，參與發(fā)表多篇SCI 論文。此外，教師團(tuán)隊(duì)對(duì)課程改革的效果也給予了積極的評(píng)價(jià)，他們觀察到學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)效果的明顯提升，認(rèn)為改革后的課程設(shè)計(jì)更具有針對(duì)性和實(shí)踐性。教師們?cè)谡n堂教學(xué)中獲得更多的滿意反饋和積極互動(dòng)，教學(xué)資源得到更為有效的利用。