基于數(shù)字化實驗的“細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P系”的改進

劉慧++趙蘋

探究“細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P系”是人教版教材必修一第6章“細胞增殖”中的模擬實驗。教材中的實驗方案是用含有酚酞的瓊脂塊模擬細胞，被吸收的物質(zhì)用NaOH模擬，酚酞遇NaOH顯示紫紅色，利用色帶的寬度來確定NaOH擴散的深度，通過計算得出不同相對表面積的瓊脂塊吸收物質(zhì)的速率，間接說明細胞物質(zhì)運輸?shù)男誓芟拗破溟L大。實驗過程中發(fā)現(xiàn)該方案操作繁瑣，實驗現(xiàn)象不穩(wěn)定，正確的實驗結論不易得出，經(jīng)過多次實踐后筆者運用數(shù)字化實驗改進了實驗的不足，直觀觀察到實驗數(shù)據(jù)，獲得明顯的實驗效果。

1 教材實驗方案的缺陷

“細胞大小與物質(zhì)運輸關系”是定量分析的實驗，實驗數(shù)據(jù)常需要精確到毫米級，試驗過程中微小誤差都可能導致實驗失敗。課本的實驗在操作過程中需要對大小不等的瓊脂塊進行翻動、切割、測量，測量時瓊脂塊越小操作越困難，產(chǎn)生的誤差也越大。課本中實驗方案是用邊長為3 cm、2 cm、1 cm的正方體瓊脂塊模擬細胞的大小，實驗時發(fā)現(xiàn)邊長1 cm的瓊脂塊不到5 min就能全部變成紅色，學生無法測量出NaOH擴散的實際深度，對實驗結果存在疑惑。甚至有些學生測得3種瓊脂塊中NaOH擴散的深度不同（理論上應該相同），計算歸納出與教材相反的結論。

細胞對物質(zhì)的吸收是一個相對連續(xù)的過程。課本實驗只能測出一定時間內(nèi)物質(zhì)進入瓊脂塊的速度，在測量時需將瓊脂塊切開兩半，該瓊脂塊隨后無法繼續(xù)進行實驗，因此只獲得一次實驗數(shù)據(jù)，易存在實驗誤差。實驗中使用的NaOH具有一定的腐蝕性，溶液使用量大，易潑灑出來接觸眼睛、皮膚和衣服，造成傷害。

2 實驗改進的思路

利用電導率法測定物質(zhì)運輸?shù)男剩妼始礊槿芤簜鲗щ娏鞯哪芰Α＜兯碾妼屎苄。斔泻袩o機酸、堿、鹽或有機帶電膠體時，溶解于水中的電解質(zhì)解離成正、負離子，電導率就增加；當溶解于水中的電解質(zhì)濃度降低時，電導率下降。數(shù)字化實驗系統(tǒng)主要是由計算機、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和系統(tǒng)軟件等構成，能夠將化學反應以及現(xiàn)象的本質(zhì)轉化為同步監(jiān)測的信號。電導率法測定物質(zhì)運輸簡化了實驗步驟，無需切割、測量，降低了實驗過程中可能出現(xiàn)的誤差，同時能直觀、準確、實時地反映物質(zhì)進入瓊脂塊后，溶液中物質(zhì)含量的動態(tài)連續(xù)變化過程。

用NaCl溶液代替NaOH。NaCl是實驗室中的常規(guī)藥品，易稱易配、安全可靠，減輕了老師和學生在實驗過程中的心理負擔。實驗時分別測定質(zhì)量分數(shù)是0.8%的NaCl溶液、放入3×3×3 cm的瓊脂塊的0.8%NaCl溶液、放有0.5×0.5×0.5 cm小瓊脂塊的0.8%NaCl溶液的電導率，比較單位時間內(nèi)電導率的降低幅度，能間接說明細胞大小與物質(zhì)運輸效率的關系。

3 改進后的實驗活動

3.1 制作瓊脂塊

稱取20 g瓊脂粉溶解于1 000 mL蒸餾水中，邊加熱邊攪拌，充分溶解煮沸后即可停止加熱。趁熱將以上瓊脂溶液緩慢倒入200×100 mm圓形水槽中。待其充分冷凝后，用小刀切出4塊等體積（3×3×3 cm）的瓊脂塊，將其中兩塊瓊脂塊再次切割成0.5×0.5×0.5 cm小瓊脂塊。

3.2 配制電解液

在1 000 mL蒸餾水中溶解6 gNaCl，用磁力攪拌器充分溶解、混勻。分別量取200 mL NaCl溶液分裝到3個250 mL燒杯中，編號1、2、3。1號燒杯中的NaCl溶液不做任何處理作為對照組，2號燒杯中加入兩塊3×3×3 cm的瓊脂塊，3號燒杯中加入0.5×0.5×0.5 cm的小瓊脂塊。

3.3 測量電導率

將數(shù)據(jù)采集器、計算機和電導率傳感器（含電極）組裝連接好，打開數(shù)據(jù)采集器和計算機，進入數(shù)字化實驗軟件系統(tǒng)，開始測量三個燒杯中溶液的電導率，如圖1所示。實驗過程中需用玻棒輕輕攪拌瓊脂塊，攪拌時注意不要破壞瓊脂表面。

3.4 結果比較

課本實驗方案需要進行切割、測量，再依據(jù)測量結果計算出表面積/體積和NaOH擴散體積/總體積的比值（表1），而電導率測定法在連續(xù)測得準確實驗數(shù)據(jù)的同時將實驗結果用曲線圖直觀、明顯地展示出來（圖2），不需要再進行數(shù)值的篩選與重組，輕而易舉看出模擬細胞體積越大，物質(zhì)運輸?shù)男示驮降汀ndprint