Аннотация. В работе рассматривается проблема недостаточной практической направленности изучения растительных пигментов в школьном курсе биологии. Представлена концепция интерактивного мастер-класса для учащихся 8-9 классов, направленного на формирование целостного представления о роли пигментов в жизнедеятельности растений и их адаптации к окружающей среде. Мастер-класс включает самостоятельное выделение хлорофилла, антоцианов и других пигментов из доступных растительных материалов (крапива, свёкла, морковь) и изучение изменений их свойств в зависимости от pH среды. Описаны цели, задачи, методы и ожидаемые результаты мастер-класса, а также требования к материально-техническому обеспечению. Подчёркивается, что предложенный подход способствует развитию исследовательских навыков, формированию устойчивого интереса к биохимии растений и соответствует задачам современного STEM-образования.
Ключевые слова: растительные пигменты, хлорофилл, антоцианы, флавоноиды, беталаины, мастер-класс, STEM-образование.
В современном мире, где вопросы экологии имеют большое значение, крайне актуально углубленное изучение процессов, происходящих в растениях. И внедрение практических занятий в образовательный процесс, например, в формате мастер-классов, способствует повышению интереса учащихся к естественным наукам и популяризации научных знаний. Экспериментальное изучение растительных пигментов полностью соответствует принципам STEM-образования. Тем не менее в школьном курсе биологии работа с пигментами растений чаще всего ограничивается теоретическим рассмотрением. Целью данной работы является разработка мастер-класса, ориентированного на практическое исследование пигментов и их свойств. В рамках занятия учащиеся смогут выделять хлорофилл и другие пигменты, а также наблюдать за изменениями их окраски в средах с разной кислотностью (pH).
Мастер-класс – особая форма активного обучения, направленная на приобретение знаний, умений и навыков с помощью практико-ориентированного подхода [3, с. 41]. Формируется интерес к биохимическим процессам в растениях, а знания, полученные в мастер-классе, могут быть использованы в проектной деятельности обучающихся.
В связи с этим целью исследования является оценка эффективности интерактивного мастер-класса по экспериментальному изучению растительных пигментов для обучающихся основной школы.
Гипотеза исследования заключается в том, что участие в интерактивном мастер-классе способствует формированию предметных знаний, базовых лабораторных навыков и элементов научного мышления.
Свойства и функции растительных пигментов
Биологическая роль
Растительные пигменты выполняют важные функции в жизнедеятельности растений. Среди них ключевое место занимают хлорофиллы.
Жизнь на Земле зависит от фотосинтеза, обеспечивающего введение в биосферные процессы солнечной энергии и создание органического вещества. Фотосинтез осуществляют растения, водоросли и некоторые прокариоты, благодаря наличию у них фотосинтетических пигментов, ответственных за поглощение, передачу и преобразование световой энергии. Хлорофилл а присутствует у всех известных эукариотических фотосинтетиков, среди прокариот обнаружен только у цианобактерий. Хлорофилл b – дополнительный пигмент высших растений и водорослей, является основным светособирающим пигментом большинства эукариот, за исключением красных и бурых водорослей. Наша планета буквально покрыта хлорофиллом, встроенным в сопрягающие мембраны фотосинтезирующих клеток [5, с. 77]. Их основная функция поглощение солнечной энергии и преобразования ее в энергию химических связей.
Растения также содержат антоцианы, флавоноиды и другие пигменты. Они защищают от ультрафиолета, работают как антиоксиданты, снижая окислительный стресс. Яркая окраска цветов и плодов, которую они обеспечивают, привлекает опылителей и распространителей семян, способствуя размножению. Ключевые классы пигментов: хлорофиллы, антоцианы, флавоноиды и беталаины. Хлорофиллы, имеющие порфириновую структуру, находятся в хлоропластах и играют главную роль в фотосинтезе, преобразуя свет в химическую энергию. Способность хлорофиллов участвовать в фотосинтетической активности делает их незаменимыми для жизнедеятельности растений.
Антоцианы – водорастворимые растительные пигменты (относящиеся к классу флавоноидных пигментов), отвечающие за красную, фиолетовую и синюю окраску цветов, плодов и листьев. Источником их получения является растительное сырье (лепестки цветов, ягоды, плоды, овощи и т.д.), а также отходы соковых и консервных производств. «По своей структуре антоцианы являются моно- и дигликозидами, содержащими в качестве агликона-антоцианидина гидрокси- и метоксизамещенные соли флавилия (2-фенилхроменилия) [1, с. 134].
Эти водорастворимые соединения накапливаются в вакуолях клеток эпидермиса. Для работы предпочтительно использовать окрашенные луковицы Аllium сеpа, вакуоли эпидермальных клеток которых содержат пигменты антоцианы. Флавоноиды в целом выполняют защитные функции, включая поглощение ультрафиолетового излучения и антиоксидантную активность.
Беталаины – азотсодержащие пигменты, встречающиеся преимущественно у представителей порядка Гвоздичноцветные. Эти соединения обеспечивают желто-красную пигментацию цветков, плодов и других органов растений. По сравнению с антоцианами беталаины не являются флавоноидами и синтезируются по альтернативному биохимическому пути. Их присутствие характерно для таких растений, как свекла и кактусы.
Влияние факторов окружающей среды на пигментацию растений
Интенсивность света является ключевым фактором, регулирующим синтез хлорофиллов и антоцианов в растениях. Высокий уровень освещенности поддерживает активный фотосинтез, что связано с содержанием хлорофилла, основного пигмента, поглощающего световую энергию.
Антоцианы выступают в качестве фотопротекторов, поглощая избыточную световую энергию и нейтрализуя активные формы и кислорода и другие радикалы [4, с. 21].
Воздействие различных температур, нехватка питательных веществ являются причиной накопления защитных пигментов. Например, при высоких температурах в растениях нарушен обмен веществ, что может приводить к усиленному синтезу таких соединений.
При нагревании растений до температуры выше оптимальной в клетках нарушается обмен веществ: происходит разобщение дыхания и фосфорилирования, прекращается синтез белков, усиливается их распад, накапливаются токсичные вещества. При высоких температурах резко повышается проницаемость цитоплазматических мембран, при температурах выше 60°С начинается коагуляция белков, а затем – гибель клеток. Мастер-класс для учеников 8-9 классов нацелен на наглядное изучение роли пигментов через проведение экспериментов. Он сочетает теорию с практикой, помогая понять связь между строением пигментов, их функциями и адаптацией растений. Материал подается доступно, с учётом возраста учащихся, через наглядные опыты.
Материалы и методика
Организация исследования
Исследование проводилось в рамках профориентационного проекта «ИЕСТественная школа» Института естествознания и спортивных технологий Московского городского педагогического университета в 2025 г.
Мастер-класс был проведен с обучающимися 7-9 классов общеобразовательных школ города Москвы. Обучающиеся были распределены на три учебные группы численностью примерно по 25 человек, что соответствовало формату мастер-класса. Все участники проходили входной и итоговый контроль знаний.
Для экспериментов выбраны доступные и безопасные растения с высоким содержанием пигментов: крапива (хлорофиллы), свёкла (беталаины) и морковь (каротиноиды). Их экстракты дают яркие, контрастные цвета для сравнения.
Методика включает стандартные лабораторные операции: измельчение, экстракцию, фильтрацию и опыты с изменением кислотности среды (pH). Использование буферных растворов позволяет чётко продемонстрировать, как цвет пигмента зависит от pH, раскрывая его химическую природу. Всё проходило с соблюдением правил безопасности.
В перечень необходимого инструментария включены фарфоровые ступки с пестиками, мерные цилиндры, химические стаканы, стеклянные палочки и пипетки. Из реактивов необходимы этанол 70% для экстракции хлорофилла и антоцианов, дистиллированная вода, а также растворы кислоты (HCl) и щелочи (NaOH) различной концентрации для демонстрации изменения окраски в зависимости от pH. Все перечисленные материалы относятся к базовой оснастке кабинетов химии или биологии.
Предварительная подготовка растительного сырья включает несколько этапов для обеспечения эффективной экстракции. Свежие листья крапивы измельчают ножницами, а корнеплоды тщательно моют и очищают от кожуры. Из очищенного корнеплода красной свеклы необходимо приготовить 12-15 одинаковых по размеру, не очень тонких срезов (толщина около 1 мм). После этого срезы помещаются в фарфоровую чашку и тщательно промывают водой для удаления сока, вытекшего из поврежденных клеток. Для моркови применяют аналогичную процедуру нарезки тонкими ломтиками или измельчения на терке, в зависимости от выбранного метода экстракции.
Методика извлечения пигментов и демонстрация их свойств
Для извлечения хлорофилла из листьев шпината или крапивы используется методика экстракции органическими растворителями, такими как этанол или ацетон [2, с. 75]. Растительный материал тщательно измельчается и заливается растворителем на несколько часов. Затем смесь фильтруется для удаления твердых частиц, получая раствор, содержащий хлорофилл. Антоцианы извлекаются аналогичным способом из краснокочанной капусты с использованием этанола.
Хромофорные свойства пигментов демонстрируются через изменение их окраски при изменении pH среды. Раствор антоцианов в кислой среде имеет красный цвет, а в щелочной переходит в синий или зеленый. Малиновый цвет вакуолей свидетельствует о кислой реакции клеточного сока. Затем под покровное стекло вводят каплю аммиака. Окраска вакуолей мгновенно переходит в желтую. Аналогично, хлорофилл в кислой среде теряет магний и становится феофитином, изменяя цвет с зеленого на оливковый.
Сравнительный анализ светопоглощающих свойств различных растительных пигментов проводится с использованием спектрофотометра или визуально по интенсивности окраски растворов. Хлорофиллы поглощают свет преимущественно в синей и красной областях спектра, антоцианы – в зеленой. Растворы пигментов помещаются в одинаковые кюветы и сравниваются при одинаковых условиях освещения. Данный эксперимент демонстрирует различия в фотофизических свойствах пигментов.
Требования к безопасности и организация рабочего пространства
При проведении мастер-класса по растительным пигментам обязательным является использование средств индивидуальной защиты. Для предотвращения контакта кожи и слизистой глаз необходимо носить защитные очки, перчатки. При проведении инструктажа по технике безопасности следует особо акцентировать внимание на правила работы со щелочами и кислотами и на организацию рабочего пространства.
Методы оценки эффективности мастер-класса
Для оценки эффективности мастер-класса использовались методы педагогического исследования: входной и итоговый контроль знаний, наблюдение за практической деятельностью обучающихся и анкетирование.
Входной контроль был направлен на выявление исходных представлений обучающихся о растительных пигментах и методе хроматографии.
Контроль знаний обучающихся осуществлялся с использованием тестовых заданий закрытого типа. Тест включал три задания, направленных на проверку понимания функций растительных пигментов, принципов бумажной хроматографии и влияния кислотности среды на изменение окраски растительных экстрактов.
Оценивание результатов тестирования осуществлялось по балльной системе: за правильное выполнение каждого задания начислялось от 3 до 4 баллов в зависимости от сложности вопроса. Максимальный суммарный балл за выполнение теста составлял 10 баллов.
Результаты входного и итогового тестирования подвергались последующей статистической обработке. Рассчитывались средние значения (М) и стандартное отклонение (σ).
Для определения статистической значимости различий между показателями до и после проведения мастер-класса применялся t-критерий Стьюдента для зависимых выборок.
Уровень статистической значимости принимался равным p < 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
Организация и ход экспериментальной работы
Первый этап проведения мастер-класса заключался в подготовке необходимых реактивов и оборудования для извлечения пигментов из растительных образцов. Было важно обеспечить наличие спиртового раствора для экстракции, фильтровальной бумаги, ступок с пестиками и лабораторной посуды. Растительные материалы должны быть свежими и включать образцы с разными пигментами: листья шпината (хлорофилл), лепестки красной розы (антоцианы) и корнеплоды свеклы (беталаины).
Заранее были подготовлены все необходимые элементы мастер-класса (реактивы, порядок работы), для того, чтобы каждый этап эксперимента был организованным и чётким. Особое внимание уделялось обеспечению безопасности проведения мероприятия и доступности в объяснении теории для обучающихся.
Перед началом экспериментальной работы проводится инструктаж по технике безопасности, так как предполагалась работа с реагентами (в том числе кислотами и щелочами). Изначально демонстрировался процесс измельчения растительного материала с добавлением раствора для экстрагирования, после чего проводилась фильтрация полученного экстракта. В ходе данной работы обучающиеся принимали активное участие в выполнении всех этапов практической деятельности.
После проведения полного экстрагирования пигментов проводились опыты по изменению кислотности среды. Использовались растворы с заданными значениями pH для демонстрации зависимости окраски пигментов от среды раствора. Учащиеся наблюдали за изменениями окраски.
Так, антоцианы проявляют характерную смену окраски, сменяя красный цвет в кислой среде на синий или зеленоватый в щелочной. Это происходит из-за изменения структуры молекулы в ответ на изменение количества ионов водорода. Учащиеся проводили сравнение поведения антоцианов и хлорофиллов в различных средах, делали соответствующие выводы.
Антоцианы продемонстрировали высокую pH-чувствительность и фактически выступили в роли природных индикаторов, тогда как хлорофиллы изменяли окраску незначительно. Выявленные различия объясняются особенностями химического строения и биологическими функциями пигментов. Анализ данных закономерностей помог учащимся осмыслить взаимосвязь между молекулярным строением веществ и их свойствами.
Обсуждение и интерпретация результатов
Анализ результатов эксперимента строился на сопоставлении наблюдаемых изменений окраски с функциями пигментов в природных условиях. В ходе мастер-класса обучающиеся наблюдали влияние кислотности среды (pH) на окраску экстрактов, обсуждали возможные области практического применения растительных пигментов и формулировали выводы о химических механизмах, лежащих в основе наблюдаемых явлений.
В качестве эмпирической основы исследования использовались наблюдения за деятельностью обучающихся в ходе мастер-класса, а также данные входного и итогового контроля знаний.
Результаты входного контроля показали, что обучающиеся имели лишь поверхностные представления о растительных пигментах и методе хроматографии. Несмотря на знакомство с термином «хроматография», обучающиеся не могли объяснить принцип работы данного метода и его практическое применение.
По результатам итогового контроля было установлено, что обучающиеся усвоили принцип хроматографического разделения веществ и поняли возможность использования растительных пигментов в качестве природных индикаторов кислотности среды.
Анализ результатов входного и итогового контроля знаний обучающихся показал статистически значимое повышение уровня усвоения учебного материала. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты входного и итогового контроля знаний обучающихся
|
Этап контроля |
Средний балл (M ± σ) |
|
Входной контроль |
4,3 ± 1,2 |
|
Итоговый контроль |
7,9 ± 0,9 |
По данным таблицы можно заметить, что средний балл по входному контролю составил 4,3 ± 1,2 балла из 10 возможных, что свидетельствует о фрагментарных представлениях учащихся о теме до проведения мастер-класса.
По итогам проведения занятия средний балл по итоговому контролю увеличился до 7,9 ± 0,9 балла. Применение t-критерия Стьюдента для зависимых выборок выявило статистически значимые различия между результатами до и после проведения мастер-класса (t = 9,14; p < 0,05).
Полученные результаты свидетельствуют о положительном влиянии практико-ориентированного мастер-класса на формирование предметных знаний обучающихся. Снижение стандартного отклонения указывает на более выровненный уровень усвоения учебного материала после проведения занятия.
Таким образом, интерактивный формат мастер-класса способствует формированию базовых лабораторных навыков, развитию элементов научного мышления (умения наблюдать, анализировать и интерпретировать данные), а также повышению интереса обучающихся к изучению биологии и химии. Освоенные в ходе мастер-класса методы могут служить основой для дальнейшей учебно-исследовательской деятельности, в том числе при выполнении проектных работ, связанных с изучением влияния факторов среды на пигментный состав растений.
Заключение
В рамках данной работы был разработан и реализован интерактивный мастер-класс по экспериментальному изучению растительных пигментов, ориентированный на учащихся основной школы. Мастер-класс был проведен в рамках профориентационного проекта «ИЕСТественная школа» с обучающимися 7-9 классов и включал практические задания по экстракции пигментов, проведению бумажной хроматографии и анализу влияния кислотности среды на окраску растительных экстрактов.
Проведенное исследование позволило оценить эффективность предложенного формата мастер-класса. Анализ результатов входного и итогового контроля показал, что до начала занятия обучающиеся обладали лишь фрагментарными представлениями о растительных пигментах и методе хроматографии, тогда как после выполнения практических заданий они смогли объяснить принцип хроматографического разделения веществ и осознать возможность использования растительных пигментов в качестве природных индикаторов кислотности среды.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что интерактивный формат мастер-класса способствует формированию предметных знаний, развитию базовых лабораторных навыков и элементов научного мышления, таких как наблюдение, анализ и интерпретация экспериментальных данных. Кроме того, практическая направленность занятия способствует повышению интереса обучающихся к изучению биологии и химии.
Полученные результаты подтверждают эффективность разработанного мастер-класса и обосновывают целесообразность его использования в образовательном процессе основной школы.
Список литературы:
- Дымова О.В., Головко Т.К. Фотосинтетические пигменты: функционирование, экология, биологическая активность // Известия Уфимского научного центра РАН, 2018. №3-4. С. 5-16.
- Жуйкова Т.В. Физиология растений. Практический курс: учебник и практикум для вузов. М.: Издательство Юрайт, 2025. 197 с. (Высшее образование).
- Поликарпов Е.В., Сологова С.С., Смолярчук Е.А. Мастер-класс как образовательный инструмент практико-ориентированного обучения школьников // Проектные практики школы XXI века: материалы III Научно-педагогического форума Москва, 23-24 марта 2023 г. / отв. ред. И.А. Подругина [Электронное издание сетевого распространения]. М.: МПГУ, 2023. С. 40-45.
- Сухова Е.М. Оценка применимости нормализованных индексов отражения для выявления локального и системного действия неблагоприятных абиотических факторов на высшие растения. Дис. … канд. биологических наук: 5.2. / Сухова Екатерина Михайловна. Нижний Новгород: 2023. 133 с.
- Чеснокова Н.Ю. Влияние ультразвука и условий экстрагирования на интенсивность извлечения антоцианового пигмента черной смородины / Н.Ю. Чеснокова, Л.В. Левочкина, А.А. Кузнецова, Т.С. Ермоленко // 21 век: фундаментальная наука и технологии. Материалы XVI международной научно-практической конференции, С. 77-79.
Experimental study of plant pigments in a master class format for primary school students
Sankov D.D.,
bachelor of 4 course of the Moscow City University, Moscow
Coauthor:
Zhuk S.K.,
bachelor of 4 course of the Moscow City University, Moscow
Mokhova L.S.,
bachelor of 4 course of the Moscow City University, Moscow
Research supervisor:
Kropova Julia Gennadievna,
Associate Professor of the Department of Educational Design of the Institute of Natural Sciences and Sports Technologies of Moscow City University, Candidate of Biological Sciences
Abstract. This paper addresses the problem of insufficient practical focus in the study of plant pigments in school biology courses. It presents the concept of an interactive master class for 8th and 9th grade students, aimed at forming a comprehensive understanding of the role of pigments in plant life and their adaptation to the environment. The master class includes the independent isolation of chlorophyll, anthocyanins, and other pigments from available plant materials (nettles, beets, carrots) and the study of changes in their properties depending on the pH of the environment. The goals, objectives, methods, and expected results of the master class are described, as well as the requirements for material and technical support. It is emphasized that the proposed approach contributes to the development of research skills, the formation of a lasting interest in plant biochemistry, and is consistent with the objectives of modern STEM education.
Keywords: plant pigments, chlorophyll, anthocyanins, flavonoids, betalains, master class, STEM education.
References:
- Dymova O.V., Golovko T.K. Photosynthetic pigments: functioning, ecology, biological activity // News of the Ufa Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2018. №3-4.: 5-16.
- Zhuikova T.V. Plant physiology. Practical course: textbook and workshop for universities. Moscow: Yuright Publishing House, 2025. 197 p. (Higher education).
- Polikarpov E.V., Sologova S.S., Smolyarchuk E.A. Master class as an educational tool for practical-oriented education of schoolchildren // Design practices of the school of the XXI century: materials of the III Scientific and Pedagogical Forum Moscow, March 23-24, 2023/resp. ed. I.A. Druzhina [Electronic publication of online distribution]. Moscow: Moscow State Pedagogical University, 2023.: 40-45.
- Sukhova E.M. Assessment of the applicability of normalized reflection indices to identify the local and systemic effects of adverse abiotic factors on higher plants. Dissertation of the candidate of biological sciences: 1.5.2. / Sukhova Ekaterina Mikhailovna. Nizhny Novgorod: 2023. 133 p.
- Chesnokova N.Yu. The influence of ultrasound and extraction conditions on the intensity of extraction of anthocyanin pigment of black currant / N.Yu. Chesnokova, L.V. Levochkina, A.A. Kuznetsova, T.S. Ermolenko // 21st century: fundamental science and technology. Materials of the XVI International Scientific and Practical Conference, 2018.: 77-79.