“細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”實驗教學(xué)改進

吳旭春

1實驗背景

“細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”是人教版教科書《必修1.分子與細胞》第六章“細胞的生命歷程”中的第一節(jié)“細胞增殖”中的一個模擬實驗。為了說明“細胞為什么不能無限長大”的原因之一是細胞表面積與體積關(guān)系的限制，設(shè)計了這個模擬實驗。本模擬實驗中以含有酚酞的瓊脂塊模擬細胞；以NaOH溶液模擬被細胞吸收的物質(zhì)。由于酚酞遇NaOH顯粉紅色，學(xué)生可通過觀察瓊脂塊“細胞”由無色變成粉紅色的過程，了解NaOH分子擴散進入“細胞”的過程；再通過測量NaOH擴散進入瓊脂塊“細胞”的深度，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。學(xué)生經(jīng)計算、比較不同體積瓊脂塊“細胞”吸收物質(zhì)的速率，可預(yù)測細胞表面積、體積之比與細胞代謝、物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系，進而理解細胞不能無限長大的原因。

2課本實驗設(shè)計方案和原理

2.1實驗方案

①用含有酚酞的瓊脂塊模擬細胞，用邊長分別為3cm、2cm、1cm正方體瓊脂塊代表不同細胞的大小。

②質(zhì)量分數(shù)為0.1%的NaOH溶液模擬細胞吸收的物質(zhì)。

2.2實驗原理

①含有酚酞的瓊脂塊遇到NaOH，會變?yōu)榧t色。利用酚酞與堿性溶液變紅的特性，學(xué)生容易觀察和測量NaOH擴散進入瓊脂的深度。

②NaOH在瓊脂塊中擴散的速度相同，在相同時間內(nèi)，NaOH擴散的深度（或瓊脂塊變紅的體積）與瓊脂塊的總體積的比值可以反映NaOH在瓊脂塊中擴散的效率。此過程可模擬細胞大小與物質(zhì)運輸效率的關(guān)系。

3該模擬實驗在實際操作過程中遇到問題的思考

3.1瓊脂塊的制作問題

①獲取瓊脂對于學(xué)生來說比較麻煩，但從材料選取角度來講應(yīng)該是方便易取、便于觀察。

②瓊脂塊的制作要配制濃度比例，瓊脂濃度太高則瓊脂塊會太硬，影響實驗現(xiàn)象；瓊脂濃度太低，則瓊脂塊易變形會影響切割。

③瓊脂在熔化加熱過程中要不斷攪拌，否則易引起焦糊甚至導(dǎo)致燒杯破裂。

3.2酚酞與NaOH的安全性問題

酚酞是極易引起過敏的一種物質(zhì)，操作過程中要戴一次性防護手套，避免直接接觸皮膚。NaOH具有極強的腐蝕性，操作時要盡量避免接觸皮膚。這兩種試劑有一定的危險性，所以操作過程中學(xué)生會畏手畏腳，處理不好會導(dǎo)致危險。

3.3材料使用后的處理問題

材料使用以后的處理要小心，避免對環(huán)境造成危害。

4實驗改進方案

4.1改進實驗材料

①用白蘿卜塊模擬細胞，蘿卜塊不同大小模擬細胞的大小

②紅墨水代替酚酞和NaOH，觀察紅墨水進入白蘿卜的深度。

以上材料學(xué)生很容易獲取，且操作方便，實驗現(xiàn)象明顯。

其他材料：刀、毫米尺、燒杯。

4.2實驗操作過程

①取白蘿卜1根，清洗干凈。

②將白蘿卜適當(dāng)切成若干塊，并將蘿卜條放在熱水中煮沸10min。此操作很重要，必須通過煮沸處理的蘿卜才能做此實驗。如果是新鮮的蘿卜條紅墨水是不能擴散進入的，因為活細胞具選擇透過性，只有煮熟了細胞使其失去選擇透過性，紅墨水才能進入便于觀察測量。此處也可設(shè)計對照（活細胞和死細胞）實驗觀察現(xiàn)象，讓學(xué)生理解只有活細胞才能表現(xiàn)出細胞的選擇透過性，否則細胞表現(xiàn)出全透性。

③將煮過的蘿卜條待冷卻后，將其切割成邊長分別是3cm、2cm、1cm的正方體。

④將10mL紅墨水滴入400mL清水中。

⑤將切割好的不同大小蘿卜正方體同時放入以上紅墨水中，過10min后取出。

⑥用紙巾分別吸去蘿卜塊表面浮色，再用刀將蘿卜塊切成兩半，用尺分別測量紅墨水?dāng)U散的深度，記錄測量結(jié)果。

⑦根據(jù)測量結(jié)果進行計算，并填寫表1。

5教學(xué)反思

本實驗設(shè)計方案的改進主要遵循實驗材料方便易取，操作過程簡單方便，實驗效果明顯直觀的原則。用蘿卜代替瓊脂，紅墨水代替酚酞和NaOH，操作沒有危險性，學(xué)生可以大膽操作。另外，學(xué)生在家中就可進行的就地取材，做相關(guān)探究實驗。實驗效果比較明顯，能夠達到教要求的目的，同時也培養(yǎng)了學(xué)生實驗創(chuàng)新能力。

如果按改進方案進行該實驗，實驗材料選擇的范圍將大大擴大，只要是無色的生物材料，將其細胞殺死，都可以利用紅墨水?dāng)U散原理進行該模擬實驗。用土豆為材料時，可以用碘液為試劑，利用碘液與淀粉反應(yīng)呈藍紫色的顯色反應(yīng)，測出碘擴散進入土豆的深度。

建議：在煮蘿卜條時要控制好時間，時間太短細胞未死，紅墨水?dāng)U散進入會有影響；時間太長，蘿卜可能會煮爛，影響切割。可以先切割成不同大小的正方體直接煮。另外，蘿卜用墨水處理后切割前，要用吸水紙把表面浮色擦凈，防止切割時影響內(nèi)部顏色。