學科交叉促體驗 實驗創新助探究

羅福海

摘要通過“細胞膜的滲透性實驗”的跨學科融合創新，實現由原來的單一性演示實驗到綜合性探究實驗的轉變，對學生生物學核心素養發展起到了促進作用，收到了良好的教學效果。

關鍵詞 生物學 學科核心素養 滲透性實驗 創新

中圖分類號Q-331文獻標志碼B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出高中生物學學科核心素養是落實立德樹人任務的操作性途徑，是教師開展課堂教學的總目標。學生生物學學科核心素養的發展離不開實驗教學，而實驗創新是培養與發展學生生物學核心素養的有效途徑。

“滲透作用”是人教版（2019年）高中生物學《必修1·分子與細胞》第四章第一節“被動運輸”中的演示實驗，對學生認識生命活動和生命現象的本質特征有一定的益處，但卻不利于學生生物學學科核心素養的提升。下面將這一演示實驗進一步融合與創新，使其成為一個同時具備綜合性、探究性、推理性三位一體的實驗，使學生由原來的根據實驗步驟毫無思考地操作、去驗證實驗結果轉變為通過已知的實驗數據去自主分析、推理實驗結果。這種轉變不但能夠考查學生運用實驗知識的能力，還能培養學生對實驗數據的分析推理能力，同時還能夠引起學生的學習興趣以及思考問題的積極性，進一步加強學生的理解，最重要的是鍛煉學生獨立思考的能力和綜合分析問題能力，有助于發展學生的生物學學科核心素養。

1實驗原理

不同的物質進出細胞的方式是不同的，這與細胞膜的結構特性與功能特性密切相關。進出細胞的物質本身屬性和細胞膜的結構特性共同影響著細胞膜的通透性。現已知影響物質通透性的因素主要有脂溶性、分子大小、是否帶電荷（離子）。本實驗需運用化學知識解決生物學問題，學生只有深刻理解上述3個因素，才能做出正確判斷及推理。

2實驗材料

本實驗選用兔血作為溶血材料，實驗選取8種溶液，分成兩組，每組4種溶液，第一組為鹽溶液（物質量分數分別為0.17 mol/L的氯化鈉溶液、0.17 mol/L的氯化銨、0.17 mol/L的乙酸銨溶液，0.12 mol/L的草酸銨溶液），第二組為有機溶液（物質量分數分別為0.32 mol/L的葡萄糖溶液，0.32 mol/L的甘油溶液，0.32 mol/L的丙酮溶液，0.32 mol/L的乙醇溶液），分別用1～8的數字排序貼標簽，量取對應溶液的量筒同樣標明對應編號。

3實驗方法與實驗步驟

取8支干凈試管，分別在試管上貼上有1～8編號的標簽，依次用不同的量筒從8種不同溶液的試劑瓶中量取10 mL相應的溶液，用滴管向每支試管中依次加入1 mL稀釋的兔血細胞懸液，計時觀察是否出現溶血現象。

另外，分別從已經判斷出來的完全溶血、不完全溶血、不溶血的試管中吸取適量溶液，制作成裝片并在顯微鏡下觀察。同時另取稀釋的血細胞懸液裝片作為空白對照實驗，觀察其溶血狀況。

4實驗結果與分析

4.1實驗結果的差異

實驗結果（表1）顯示，引起紅細胞溶血速率最快的是水分子。這是因為水是極性小分子，并且紅細胞的細胞膜上具有水通道蛋白，水通道蛋白參與了水分子的協助擴散。這就導致了水分子進入紅細胞的速率遠比另一種被動運輸方式——自由擴散快。因此，水分子的進入導致紅細胞的溶血現象就可以作為其他物質導致溶血現象出現的參考依據。

從實驗結果可以看出：兩組對比實驗中，都會有1種溶液不能導致溶血反應的發生，每組剩余的其他3種溶液皆能夠發生溶血現象。同時，經過對比，各組都表現出溶血速率的差異。

實驗需要學生對4種鹽溶液從電解質強弱的層面進一部做出判斷，需要了解鈉鹽與銨鹽物質性質的區別所在。經過查閱資料，學生不難發現，在實驗中用到的氯化鈉溶液屬于強電解質，銨鹽屬于弱電解質。根據“易穿膜的物質是不帶電荷的分子，而對于同樣大小的分子而言，非電解質的跨膜運輸速率要遠遠快于電解質物質，相應地，弱電解質也比強電解質的運輸速率快”這一運輸規律，學生不難推測出未能發生溶血現象的是氯化鈉溶液。本實驗的難點之處是學生如何分析3種銨鹽的水解反應以及它們導致的溶血原因。這需要學生自主查閱文獻資料，再對這三種銨鹽產生水解反應的情況作出分析判斷，最終知曉：這三種銨鹽溶液雖然都是弱電解質，但是仍然有著有強弱之分，它們水解后得到的分子數量也不同，如乙酸銨水解產生乙酸和NH3·H2O，草酸銨水解產生NH3·H2O和乙酸（少量），而氯化銨水解只產生NH3·H2O，根據不帶電荷的分子越多越容易穿膜運輸，溶血現象也發生的越快。由此，得知3種溶液的溶血時間依次為：T氯化銨>T草酸銨>T乙酸銨，依次對應據表1中的3、

1、2號試管。

對于第二組有機溶液的分組實驗的觀察、分析，有機溶液遵從相似相溶這一原理，有機分子常常通過自由擴散的方式進入紅細胞。經觀察四組實驗結果，其中同樣有1種溶液不溶血，學生依據已有知識，可以得出，葡萄糖屬于大分子物質范疇，不能通過自由擴散的方式進入紅細胞，因此能夠迅速判斷出不發生溶血現象的是葡萄糖溶液。本組實驗的難點在于乙醇、丙酮、甘油這三者在該濃度屬于等滲溶液，而對于學生來說較難做出推斷的是乙醇和丙酮。很多時候，學生根據己有知識分析其分子大小，往往忽略了脂溶性，從而容易得出錯誤的結論。在影響物質滲透性的因素中：“脂溶性比分子大小的影響力更強”。此時，教師應適當提示學生，告訴學生脂溶性與分子極性的相關性，引導學生，從分子極性值的角度去考慮這一問題。關于分子極性值的內容，需要學生自主查閱資料才可以得到。學生通過查閱文獻等可以得到分子極性也就是分子對稱性大小為甘油>乙醇>丙酮，從而重新作出正確的實驗結果判斷。

最后，教師通過使用顯微鏡觀察溶血情況裝片這一環節，促進學生回顧血涂片的制片技術以及顯微鏡使用的規范方法，再利用觀察得到的結果進一步證明不同溶液導致的溶血現象。這能夠給學生一個直觀的視覺印象，進一步加深學生對溶血現象的理解，同時也豐富了實驗教學內容。

4.2實驗創新效果分析

本探究實驗不但能引起學生的探索欲望，還能培養學生分析問題和解決問題的能力。教師在實驗前做出提示，溶血時間是推斷實驗結果產生的重要因素，要求學生仔細觀察并記錄溶血時間。這樣能夠提升實驗課的課堂效率。實驗完成后，小組針對各組的實驗結果分析討論，如有不同意見或者出現實驗結果不準確的現象，需師生共同討論解決。對于實驗結果的推理，學生需要根據已有知識去主動查閱文獻資料，以小組為單位自主學習并進行比較，才能認識到不同物質溶血跟溶液濃度相關，促進形成生命觀念。學生很難根據實驗數據直接作出正確的推斷，需要運用化學知識，通過分析和推斷最終得出實驗結果。這樣，學生對細胞膜通透性的理解會更直觀更深刻，有助于形成科學思維，并運用科學探究理解科學本質。

5討論

在“細胞膜的滲透性實驗”中，由于小組與小組之間在判斷標準以及操作過程中有著較強的主觀性，最后得到的的溶血時間數據也存在著差異。但是，只要同組判斷溶血的標準和操作方法得當，對實驗結果的推斷就幾乎沒有影響。如果出現有些溶液的溶血時間相差幾秒的現象，可能是實驗操作不當，導致讀數不準確，會影響到實驗結果的分析。因此，為了保證實驗結果的準確度，教師應采取以下措施：①判斷標準的統一。將學生分成若干組，每組分為3～4人，并在小組中指定1人負責觀察溶血現象，以低滲溶液也就是蒸餾水的完全溶血現象為參照對象。②加樣操作的規范。為了減小實驗的誤差，在紅細胞懸液中加入測試溶液的過程中，輕輕晃動試管2～3次，再靜置觀察。需注意不能強力晃動，以免人為造成紅細胞破裂加快溶血，導致實驗誤差。③取多次測量的平均值。實驗過程中，為了減小實驗誤差，可以通過多次測量取平均值的方法。

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