“觀察植物細胞質壁分離與復原”實驗教學設計與拓展

朱鳳云

1.實驗內容分析及實驗設計思路

該設計案例為蘇教版必修一第四章第一節“物質跨膜運輸的方式”中的探究實驗。在此之前，學生已經學習了滲透的原理，對半透膜、滲透作用及滲透裝置的組成有了一定的認識。具有這樣的知識基礎上，教師引導學生探究植物細胞的質壁分離和復原，使學生能夠充分理解一個成熟的植物細胞與外界溶液一起構成典型的滲透系統。學生只有通過實驗操作和觀察質壁分離和復原的現象，獲得細胞吸水、失水與外界溶液濃度關系的感性認識，才能深入理解成熟的植物細胞是一個滲透系統以及影響細胞滲透吸水的內外條件。

學生先根據教材內容完成探究實驗的過程，然后再進一步探究以下問題：

（1）不同濃度的試劑對同一種植物材料吸水和失水的影響；

（2）同一濃度的試劑對不同種植物材料吸水和失水的影響，比較出不同種植物的細胞液濃度大小；

（3）不同種試劑對植物細胞失水和吸水的影響；

（4）死亡的植物細胞能否發生滲透作用？

通過一系列的實驗，師生共同參與，學生自主探究，讓學生經歷“提出問題-作出假設-設計實驗-實施操作-觀察結果-得出結論”的探究歷程，培養學生嚴謹的科學態度和勇于探索的精神。教師借助多媒體手段，以突出重點，突破難點，增加知識容量，提高課堂效率。

2.與學生生活實際的聯系

生活中很多現象都與植物細胞的吸水與失水有關，例如：泡在鹽水中的蘿卜條會變軟，泡在清水中的蘿卜條會更加硬挺；泡菜制作時加入一些鹽，水分就會滲出來；農作物施肥過多，就會造成“燒苗”的現象等。通過本實驗的學習，使學生更深入地理解生活中的這些現象，并作出合理解釋。

3.教學目標

3.1知識目標

（1）理解植物細胞通過滲透作用吸水或失水的原理。

（2）學會觀察植物細胞質壁分離與復原的方法。

3.2能力目標

（1）通過實踐，掌握臨時裝片的制作方法和實驗的一般步驟；

（2）進一步熟悉高倍顯微鏡的使用；

（3）通過課本實驗的學習，提出可行性的探究問題，并小組討論制定探究方案，嘗試得出結論。

3.3情感、態度與價值觀目標

（1）親手實驗，激發學習生命科學的興趣，分析生活中與滲透作用有關的現象；

（2）體會科學研究的樂趣，培養在科學研究中一絲不茍的科學態度和實事求是的科學精神；

（3）學會合作分工，與他人分享實驗成果。

4.教學重點、難點及解決的教學策略

（1）教學重點：引導學生探究實驗，確定實驗的材料、試劑的種類與濃度，并進行應用創新。

教學策略：用不同濃度的蔗糖溶液探究實驗的結果，用課件展示成熟植物細胞的結構圖，分析其與滲透系統的關系。在此基礎上讓學生討論選擇紫色洋蔥的外表皮細胞和0.3g/mL的蔗糖溶液的原因，并且進一步分析濃度大小對質壁分離的影響。

創新之處：①用綠色植物的葉肉細胞代替紫色洋蔥的外表皮細胞，重復該探究實驗。

②用無色的洋蔥表皮細胞代替紫色洋蔥的外表皮細胞，但在外界溶液中滴加胭脂紅溶液對其染色，再觀察實驗的結果。

③用0.3g/mL的KN03溶液代替0.3g/mL的蔗糖溶液再觀察結果。

（2）難點：臨時裝片的制作，在探究實驗過程中培養學生的實踐能力和創新能力。

教學策略：教師示范制作臨時裝片，并強調制作時的注意點：材料要薄，不能有氣泡等。接著讓學生自主探究，再由不同小組的學生展示自己的實驗結果并描述實驗過程以及對實驗結果的分析，進而讓學生提出更多需要探究的問題。

5.課前準備

（1）教師要求學生復習滲透作用原理及其發生條件，并做好預習，理解實驗原理，了解實驗目的、要求和方法步驟；

（2）材料器具：洋蔥，菠菜，質量濃度分別為0.1g/mL、0.3g/mL、0.5g/mL、0.7g/mL的蔗糖溶液，0.3g/mL的KNO，溶液、胭脂紅染液（一種水溶性的大分子食用色素，呈紅色），1mol/L的醋酸溶液，清水，顯微鏡，鑷子，滴管，載玻片，蓋玻片，吸水紙等。

6.教學過程

6.1導入

（1）復習滲透裝置，教師引導學生思考：滲透作用發生的條件有哪些？

（2）教師聯系學生的生活，出示一些常見現象：泡在鹽水中的蘿卜條會變軟，泡在清水中的蘿卜條會更加硬挺。并提出問題：為什么會出現這樣的現象？植物細胞能否構成滲透裝置？

學生學習教材中的相關內容，分析成熟的植物細胞結構，并與滲透裝置作比較。

教師引導學生討論：若將一個成熟的植物細胞放置到濃度高的溶液中，細胞液中的水分子將向細胞的哪一側運動？如果細胞壁的伸縮性小于原生質層的伸縮性，將會出現什么有趣現象？

6.2開展觀察植物細胞的質壁分離與質壁分離復原的實驗

（1）實驗原理：

把成熟的植物細胞放置在某些對細胞無毒害的物質溶液中。

①當細胞液的濃度<外界溶液的濃度時：

細胞液中的水分子透過原生質層，進入到外界溶液中，使原生質層和細胞壁都出現一定程度的收縮。由于原生質層比細胞壁的收縮性大，當細胞不斷失水時，原生質層就會與細胞壁逐漸分離，即逐漸發生了質壁分離。

②當細胞液的濃度>外界溶液的濃度時：

外界溶液中的水分子通過原生質層進入到細胞液中，發生質壁分離的細胞的整個原生質層會慢慢地恢復成原來的狀態，使植物細胞逐漸發生質壁分離復原。

（2）實驗步驟：

①制作臨時裝片：用鑷子撕取約0.5cm²紫色洋蔥鱗片葉的外表皮，放人載玻片預先準備的水滴中，平展后蓋上蓋玻片。

②觀察：先在低倍鏡找到紫色洋蔥表皮細胞，并移到視野中央，然后換下高倍鏡觀察。可以觀察到紫色洋蔥表皮細胞中紫色的大液泡，還可以看到原生質層與細胞壁緊貼在一起。

③滴加蔗糖溶液：從蓋玻片的一側滴入0.3g/mL的蔗糖溶液，在蓋玻片的另一側用吸水紙吸引，重復3-4次（引流法），使洋蔥表皮細胞就浸潤在蔗糖溶液中。

④觀察質壁分離現象：在高倍鏡下可以觀察到，細胞中的液泡逐漸變小，顏色逐漸變深，原生質層開始在邊角處與細胞壁分離，最后完全分離。

⑤觀察質壁分離復原現象：在蓋玻片的一側滴加清水，在另一側用吸水紙吸引，重復3-4次，使洋蔥表皮細胞浸潤在清水中，觀察質壁分離復原現象。

（3）實驗結果分析與結論。

實驗表明：在細胞液的濃度低于外界溶液的濃度時，洋蔥鱗片葉表皮細胞失水，發生質壁分離；在細胞液的濃度高于外界溶液的濃度時，洋蔥鱗片葉表皮細胞吸水，已出現質壁分離的細胞發生質壁分離復原。

結論：細胞液和外界溶液通過原生質層發生了滲透作用；原生質層是一層半透膜。

6.3進一步探究

（1）用0.1g/mL、0.5g/mL、0.7g/mL的三種不同濃度的蔗糖溶液重復該實驗。分小組進行探究，得到的結果見表1。

教師引導學生討論：為什么前兩種情況下可以發生質壁分離復原，而后兩種情況下不能呢？

小組通過討論，分析得知：由于后兩者濃度過高，導致細胞失水過多而死亡，從而不能復原；而前兩者由于濃度不足以使細胞失水過多，仍然存活。由此可知，只有活細胞才能通過滲透作用進行吸水和失水。為了清楚地觀察質壁分離與復原現象，不能采用0.5g/mL或0.7g/mL的蔗糖溶液，而0.1g/mL的溶液分離現象不明顯，且用時太長，所以最好選用0.3g/mL的蔗糖溶液來觀察植物細胞質壁分離現象。

（2）用綠色植物的葉肉細胞代替紫色洋蔥的外表皮細胞，重復該探究實驗，進而尋找更多的實驗材料。

實驗步驟相同，只是用菠菜的葉肉細胞代替紫色洋蔥的外表皮細胞，由于菠菜葉肉細胞質中含有葉綠體，呈綠色，在失水的狀態下，可以清楚地看到質壁分離現象。分小組探究在0.1g/mL、0.3g/mL、0.5g/mL、0.7g/mL四種蔗糖溶液濃度下菠菜葉肉細胞質壁分離的狀態。結果與前一個實驗類似，同時也可以比較在同一濃度下，采用不同的材料時質壁分離的差異，說明了不同材料細胞液的濃度存在一定的差異。

（3）用無色的洋蔥表皮細胞代替紫色洋蔥的外表皮細胞，且在外界溶液中滴加胭脂紅溶液對其染色，再觀察實驗的結果。

由于胭脂紅能通過細胞壁，但不能通過原生質層，所以，在細胞壁和原生質層之間為紅色，液泡內無色素，所以為無色。

（4）用0.3 g/mL的KN03溶液代替0.3g/mL的蔗糖溶液，觀察結果。

在0.3g/mL蔗糖溶液中，植物細胞發生質壁分離，但如果不用清水處理不發生質壁分離復原。但在0.3g/mL的KNO₃溶液中，植物細胞質壁分離后會發生自動復原的現象。教師引導學生分析其中的原因。（原因是植物細胞能通過主動運輸吸收鉀離子、硝酸根離子進入細胞液，使細胞液濃度升高，細胞吸水，質壁分離后自動復原。）

（5）教師繼續引導學生分析：若使用質量濃度為1mol/L的醋酸溶液代替蔗糖溶液，又會出現什么結果呢？（細胞不發生質壁分離及復原現象。因為醋酸能殺死細胞，使原生質層失去選擇透過性）

7.教學反思

本節“觀察植物細胞的質壁分離與復原”實驗課是現行高中必修教材中學生必做的實驗之一。本節課培養了學生對實驗原理、現象和結果的分析能力，從提高學生的實驗操作能力、觀察分析能力人手，達到提高學生生物科學素養的目的。

本節課增加了學生自主探究的內容——不同濃度的試劑對同一種植物材料失水和吸水的影響、不同試劑對同一種植物材料失水和吸水的影響；用綠色植物的葉肉細胞、無色的洋蔥表皮細胞代替紫色洋蔥外表皮細胞、用質量濃度為0.3g/mL的KNO₃溶液和1mol/L的醋酸溶液代替蔗糖溶液探究對植物細胞質壁分離與復原的影響。通過引導學生課外查閱資料（其中包括改變試劑濃度和換用其他試劑）之后，分組討論得出（選定不同濃度的蔗糖溶液，分別進行質壁分離和復原實驗）可行的實驗設計。