“細胞大小與物質運輸的關系”實驗中數據處理能力的培養

鄂 芳 賴勝蓉

（1貴州省貴陽市第一中學貴州貴陽550081 2貴州教育科學學院貴州貴陽550001）

1 問題的提出

“細胞大小與物質運輸的關系”是人教版高中生物學必修1中的一個模擬實驗,該實驗的目的是通過探究細胞表面積與體積之比，了解細胞大小與物質運輸效率之間的關系，探討細胞不能無限長大的原因。實驗用含酚酞的瓊脂塊模擬細胞，用NaOH模擬進入細胞的物質，用NaOH擴散的體積與整個瓊脂塊的體積之比模擬物質運輸效率。教材要求學生通過測量不同邊長瓊脂塊中NaOH擴散的深度，填寫并完成相應表格中的計算，然后得出結論。

在實際教學中發現幾個問題：1）測量的數據存在差異時，學生不會處理，導致結果不準確；2）不能很快通過表格中的數據得出結論；3）對教材得出“細胞越大，其表面積與體積之比越小”這一結論，學生理解存在一定的困難。

通過查閱相關文獻發現，對該實驗已有一些改進和思考，例如福建師范大學俞如旺等提出“設計專門模具制作瓊脂塊、蒸發含碘的瓊脂塊以使瓊脂塊重復利用”［1］；姜永均建議“用淀粉瓊脂塊替代酚酞瓊脂塊，并提出該實驗只模擬了自由擴散的運輸方式，主動運輸沒有體現”［2］；蔣選榮提出“用模型構建的方法探究細胞大小與物質運輸的關系”［3］。但對于該實驗的數據與結果處理鮮有教師提出思考，因此，在教學中進行重新思考與實踐，不僅解決上述問題，還培養了學生的數據處理能力。

2 實驗過程中的數據處理

2.1 正確獲取實驗數據實驗要求測量并記錄的是質量分數為0.1%的NaOH，在相同條件下擴散進入不同大小的瓊脂塊的深度。實驗前，先將學生分成10個小組并在黑板上繪制表格，要求各小組將測量數據填寫于表中（見表1）。實驗結束后，讓學生對測量數據進行比較，理論上擴散深度應相同，但實際結果數據存在差異，引導學生對測量結果進行討論，一是為什么測量結果會有差異？二是怎樣使用測量結果？師生通過討論共同總結：一方面由于不同小組之間及同一小組內部，在實驗過程中存在瓊脂塊的切割差異、塑料刀沾上NaOH及讀取數據的不準確等原因，使得記錄的結果出現誤差，強調操作規范的重要性；另一方面對于出現差異的數據可用平均值降低誤差，并強調每個小組的實驗屬于平行重復，讓學生理解在測量數據的實驗中，通過平行重復實驗求得平均值是降低誤差的一種常用方法。同時將教材中的表格進行修改，將測量數據分成實測值和平均值2項。在此過程中，培養學生正確獲取實驗數據的能力，實驗數據是客觀事實的真實反映，不能帶著對實驗結果的預期隨意篡改，更不能編造［4］。

表1 各小組測量數據記錄表

2.2 合理表達實驗數據在完成表1及教材中的表格計算后，通過提問發現，學生不能很快得出結論。在教學中增設一幅坐標圖，要求學生自己填寫坐標圖的橫軸和縱軸，并根據測量數據繪制。結果有的組用“瓊脂塊的體積”做橫軸，“表面積與體積比值”做縱軸，得出結論是“隨著體積增大，表面積與體積之比減小”；有的組用“瓊脂塊的體積”做橫軸，用“NaOH擴散的體積與瓊脂塊的體積之比”做縱軸（圖1），得出結論是“隨著瓊脂塊體積增大，NaOH擴散的體積與瓊脂塊的體積之比減小”……通過小組討論，逐步引導學生得到最后結論。學生將獲得的數據在坐標系中進行描點，將點連接成線，是對實驗結果進行分析的一種數學表達方式，讓結果更直觀，并通過觀察圖像很快便得出結論。培養學生對數據進行合理的表達，有利于結論的探究，對于定量的數據，若數據較多，利用數學表達（坐標圖等）的方式，可形象表現信息的特征，便于揭示結論［5］。

圖1 不同大小瓊脂塊的NaOH擴散體積與瓊脂塊體積之比

2.3 利用數學公式處理數據該實驗用正方體的瓊脂塊模擬細胞，但大多數細胞是球體，所以在實驗中增加了一張表，將球體的表面積與體積的公式帶入，讓學生用公式計算球體的表面積與體積的比值（3/R），再分別計算直徑為20μm和30μm的球體的表面積與體積之比（表2），因大多數細胞的直徑介于20μm和30μm之間，通過類比理解“細胞越大，其表面積與體積之比越小，細胞的物質運輸效率越低”這一結論。培養學生利用數學公式對生物學實驗進行分析，不僅易于理解和得出結論，也能體會學科間的相互交叉應用。

表2 不同直徑球體的表面積與體積的關系

3 教學反思

生物學實驗課是教學的重要組成部分，在實驗中，有時因操作不同而出現不同現象；有些實驗需要反復操作才能成功。嚴謹的科學態度可促使實驗中嚴格操作、仔細觀察和測量、認真分析。在對記錄的實驗數據作出比較分析的過程中，可引導學生尋找異同，并不斷思考、不斷發現問題、不斷討論，從而培養辯證思維能力。生物學科與數學等學科相互聯系、相互交叉，數據的處理需要運用數學公式，重視學科之間的溝通與交流，可避免知識理解的片面化、單一化。注重學科交叉融合能力培養有利于人才的培養。實驗數據的處理與分析是得出結論的必由之路，所以在生物學實驗教學中對學生進行數據處理培養，也是實現生物學實驗教學多重價值的途徑。

［1］俞如旺,劉薇.“細胞大小與物質運輸的關系”實驗的改進研究.生物學通報，2013，48（3）：45.

［2］姜永均.關于“細胞大小與物質運輸的關系”的實驗思考.實驗教學研究，2006，16（11）：15.

［3］尹秀菊.淺談生物實驗中數據的處理.中學生物學，2013，29（4）：49.

［4］蔣選榮.用模型構建的方法探究細胞大小與物質運輸的關系.生物學通報，2007,42（9）：36.

［5］盧彥.淺談在生物化學實驗中培養學生的數據處理與分析能力.生物學雜志，2014（1）：97.