“細胞大小與物質運輸的關系”模擬實驗的改進
2011-12-31 00:00:00張麗萍
中學教學參考·理科版 2011年8期
新課標理念注重提高學生的生物科學素養，倡導研究性學習。本節課切實落實主體性教學，學生實驗這種親歷探究、生生互動的教學場景正是今天倡導的探究性學習所需要的，充分體現新課標理念。
本實驗是用含酚酞瓊脂塊模擬細胞，用NaOH模擬被細胞吸收的物質。當NaOH與含有酚酞的瓊脂塊相遇時，其中的酚酞就會變成紫紅色。從瓊脂塊的顏色變化情況就能反映NaOH擴散進入瓊脂塊的深度。然后，通過計算在相同時間內NaOH擴散進瓊脂塊的體積與瓊脂塊的總體積之比，可以反映細胞的物質運輸的效率。
一、改進之一
本實驗原理其實就是利用有顏色的分子擴散（或反應）來模擬細胞的物質交換。在教學中，我們不妨讓學生利用已有知識，對實驗進行類比改進，引導學生回顧學過的顏色反應來改進實驗，所以形成以下兩種改進方案：
第一種方案：含石蕊的瓊脂塊放在醋酸中。（用醋酸比用鹽酸和氫氧化鈉安全）
第二種方案：含淀粉的瓊脂塊放在碘液中。（無腐蝕性，較安全）
由于NaOH屬于強堿，有一定的腐蝕性，再加上用量較大，給實驗帶來一定的危險性，在分組實驗時學生可能會有較大的心理壓力，不利于完成實驗。以上兩種方法有效地解決了安全性問題。這兩種方法很類似，我只選擇了后者進行了實驗。
二、改進之二在實驗操作過程中還進行了以下幾方面改進嘗試：
第一，用塑料膠片制作的正方體模具，能直接獲得正方體瓊脂塊，避免了原來的用長方體瓊脂塊切割成正方體的麻煩，且尺寸精確，外表光滑，所獲數據更精確。
第二，用瓊脂球代替瓊脂塊。由于球體更接近細胞的形狀，瓊脂球的制備可以用中藥丸塑料殼做模具。同樣避免了切割瓊脂塊的麻煩。
第三，觀察結果時用刀片將瓊脂塊切分成三份，中間的那份作為觀察和測量對象，顏色對比明顯。
三、改進之三白梨塊代替瓊脂塊放在紅墨水（紅酒）中。也可以用豆腐塊等放在紅（或藍）墨水中。（材料易
得，省去制備瓊脂塊的麻煩）
這種方法的優點是材料易得，學生在家里就可以做，擺脫了實驗室條件的束縛。還可以以這種方法來鼓勵學生從生活中取材來做生物小實驗，激發學習興趣。另外，偏遠地區的學校、條件較差的學校很難買到瓊脂，可以鼓勵學生開展類似的課外實驗。甚至可以以此為契機開展探究性課題——能否從生活中選擇合適的材料代替瓊脂塊來做這個實驗，如蘿卜塊蘋果塊等，并分析不同材料的可行性和優缺點。這種方法的不足是物質擴散的速度較慢，使實驗時間長。但是，既然擺脫了實驗室束縛，在課外做實驗，也就不受時間限制了。
四、改進之四該實驗課題的拓展延伸：細胞表面積與重量的比率，與細胞大小的關系。
細胞不能無限長大，體現在細胞越大，表面積與體積的比率即相對表面積就越小，物質交換的效率越低。那么細胞從外面吸收的物質的重量隨著表面積增大減少，即細胞表面積與所吸收物質的重量成反比。用厚紙板折幾個大小不同的細胞模型，所有的“細胞”都是立方體，每邊的邊長從2厘米開始。為了能向“細胞”里裝沙子，留出一面開口。計算出每個細胞表面積與體積之比、表面積與重量之比。表面積代表細胞膜的大小，體積和重量代表細胞所能盛的填充物。
實驗數據記錄如下：
立方體邊長/cm
表面積/cm2
體積/cm3
比值(表面積/體積)
沙子重量/g
比值(表面積/重量)
2
24
8
3
11.5
2.09
3
54
27
2
41.2
1.31
4
96
64
1.5
108.1
0.89
注：立方體裝載的沙子要比重均一，最好用生物實驗室現成的二氧化硅。
實驗數據表明，當細胞變大時，表面積與重量的比值跟我們所猜想的一樣。通過這個簡單的實驗模擬，讓學生更好地理解了細胞為什么不能無限長大。
(責任編輯 廖銀燕）
