基于數字化實驗的“細胞大小與物質運輸的關系”的改進

劉慧++趙蘋

探究“細胞大小與物質運輸的關系”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的速率，間接說明細胞物質運輸的效率能限制其長大。實驗過程中發現該方案操作繁瑣，實驗現象不穩定，正確的實驗結論不易得出，經過多次實踐后筆者運用數字化實驗改進了實驗的不足，直觀觀察到實驗數據，獲得明顯的實驗效果。

1 教材實驗方案的缺陷

“細胞大小與物質運輸關系”是定量分析的實驗，實驗數據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，實驗時發現邊長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。

細胞對物質的吸收是一個相對連續的過程。課本實驗只能測出一定時間內物質進入瓊脂塊的速度，在測量時需將瓊脂塊切開兩半，該瓊脂塊隨后無法繼續進行實驗，因此只獲得一次實驗數據，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運輸的效率，電導率即為溶液傳導電流的能力。純水的電導率很小，當水中含有無機酸、堿、鹽或有機帶電膠體時，溶解于水中的電解質解離成正、負離子，電導率就增加；當溶解于水中的電解質濃度降低時，電導率下降。數字化實驗系統主要是由計算機、傳感器、數據采集器和系統軟件等構成，能夠將化學反應以及現象的本質轉化為同步監測的信號。電導率法測定物質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的誤差，同時能直觀、準確、實時地反映物質進入瓊脂塊后，溶液中物質含量的動態連續變化過程。

用NaCl溶液代替NaOH。NaCl是實驗室中的常規藥品，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。實驗時分別測定質量分數是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，比較單位時間內電導率的降低幅度，能間接說明細胞大小與物質運輸效率的關系。

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

將數據采集器、計算機和電導率傳感器（含電極）組裝連接好，打開數據采集器和計算機，進入數字化實驗軟件系統，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測得準確實驗數據的同時將實驗結果用曲線圖直觀、明顯地展示出來（圖2），不需要再進行數值的篩選與重組，輕而易舉看出模擬細胞體積越大，物質運輸的效率就越低。endprint