例談運用科學思維指導學生解決滲透裝置再次平衡難題

安徽 謝四軍 徐金鵬

利用滲透裝置研究滲透作用所需條件，可類比為研究動、植物細胞發生滲透作用的結構基礎，這對于踐行結構與功能觀等生命觀念至關重要。很多年來一直有一些試題圍繞滲透裝置再次平衡問題進行設計，而市面上多數試題的答案和解釋不是處理粗糙，就是認識片面甚至是錯誤的，這給教師教學和學生學習帶來很多困擾。筆者發現，在教學中運用科學思維建構物理模型并結合“假說—演繹法”可理性解決此類問題，喜獲良好效果。

一、高中生物學教學中出現滲透裝置再次平衡難題的原因

高中生物學學習中出現滲透裝置再次平衡難題的原因主要有以下幾點：(1)此系統為物理裝置，需要利用物理學中液體壓強產生的壓力和滲透壓力平衡等原理解決。部分生物學教師畏難于解決跨學科的問題，且認為在生物學課堂上花大力氣解決物理學難題沒有必要。(2)部分教師對待此類問題采取“人云亦云”的思想，即沒有深入思考和分析，而是簡單借用網絡或已有試題和答案應付教學。(3)很多學校生物實驗室沒有配備滲透裝置，無法利用實際實驗研究此類問題；部分教師認為即使開展實驗，實際效果也未必明顯。鑒于上述原因，很多教師對于滲透裝置再次平衡問題理解不清，故而出現講解不透徹的情況，甚至只是告訴學生記住相關答案即可。教師粗線條或模糊化處理此類問題顯然對于學生科學理解此類問題是不夠的，也讓學生難以有效打破學科間壁壘而形成質樸的科學觀和自然觀。

二、滲透裝置再次平衡典型例題呈現

滲透裝置設備簡單，通常由鐵架臺、大燒杯、漏斗、玻璃紙(或其他半透膜)、清水和一定濃度蔗糖溶液組成。實驗中漏斗廣口裹上玻璃紙，并在漏斗中加入一定濃度蔗糖溶液，而后放入盛有清水的燒杯中，因半透膜內外溶液滲透壓力不同，使清水滲入漏斗而出現液面升高并最終維持在一定高度(假設內外液面高度差為h1)的滲透現象(即滲透裝置初次平衡)。一些試題在此滲透裝置初次平衡后改變條件，討論滲透裝置再次平衡時內外液面高度差h2，并比較h1和h2的大小關系。梳理可知，初次平衡后通常改變的條件有：(1)燒杯中加入適量水；(2)燒杯中吸去適量水；(3)漏斗中加入適量水；(4)漏斗中再加適入量蔗糖溶液(或蔗糖)；(5)吸去漏斗中高出的液面差h1。

【例題】圖1為平衡時的滲透裝置，燒杯內的液面高度為a1，漏斗內的液面高度為b1，液面高度差為h1=b1-a1。在此基礎上繼續實驗，以滲透平衡時的液面差為觀測指標，下列敘述正確的是( )

圖1

A.若吸出漏斗中高出燒杯內液面的溶液，則平衡時h1增大

B.若向漏斗中加入少量蔗糖，平衡時h1將增大

C.若向漏斗中加入適量且與漏斗內的蔗糖溶液濃度相等的蔗糖溶液，則平衡時h1不變

D.向燒杯中加入適量清水，平衡時h1將增大

【參考答案】B

這是網絡上或教輔資料中常見的一道關于研究滲透裝置再次平衡的試題。此類問題中，吸出漏斗中高出燒杯內液面的溶液，再次平衡時h2比h1小；向漏斗中加入少量蔗糖或蔗糖溶液，再次平衡時h2比h1大，這些情況學生比較容易理解。向漏斗中加入適量清水、向燒杯中加入適量清水或者燒杯中吸去適量水，再次平衡時h2與初次平衡h1的大小關系，很多學生難以理解。究其原因，還是與課堂上生物教師未能講清滲透裝置平衡的基本原理，未能通過建立物理模型正確引導學生采用科學思維方法分析有關。本文主要圍繞滲透裝置初次平衡后向漏斗中加入適量清水引起的再次平衡的難題進行討論。

三、滲透裝置中液面保持平衡的基本物理學原理

教學中教師需要向學生講清滲透裝置保持平衡實際上為液體間力學平衡的結果。以漏斗廣口上裹著的半透膜為研究對象，實驗中其受兩個方向不同的力的作用，一是漏斗外清水與漏斗內蔗糖溶液間濃度差形成的方向向上的滲透壓力，二是燒杯和漏斗間形成的液面差會產生對半透膜方向向下的壓力，實驗中由于漏斗口面積不變，可簡單用燒杯和漏斗間形成的液面差大小代表對半透膜產生的壓力大小，學生能夠理解。裝置初次平衡后向裝置漏斗中加入適量清水，顯然會改變半透膜內外滲透壓和液面差產生的壓力，系統再次平衡時半透膜兩側仍然是受力平衡。漏斗中加清水后，滲透壓變小而液面高度差增大，此時漏斗液面會下降。漏斗液面下降會導致滲透壓力增大，同時高度差產生的壓力減小，燒杯中液面也會有所上升。究竟液面下降到何處時裝置會再次平衡？再次平衡時液面差h2與h1相比究竟是增大、減小還是不變？在課堂上不能進行實驗探究的條件下，一些教師陷入了教學困境。

四、利用物理模型和“假說-演繹法”解決難題

運用科學思維解決生產或生活中遇到的問題，既是生物學學科核心素養對學生的要求，也是學生解決實際問題所體現的能力和品質。教學中筆者通過引導學生結合滲透裝置，以向漏斗中加適量清水為例，畫出物理模型，并結合假說-演繹法讓學生比較、演繹推理結果與實際結果間的關系，從而得出科學結論，達到“以理服人”的教學效果，學生收獲知識的同時也訓練了科學思維。具體如下。

分析時，假設滲透裝置初次平衡時燒杯內的液面高度為a1，漏斗內的液面高度為b1，此時h1=b1-a1，這種情況下半透膜兩側濃度差產生的滲透壓力與液面高度差產生的壓力平衡，這是初次平衡的原理(圖2甲)。接著，向漏斗中加入適量清水，如圖2乙所示，教師提問學生，漏斗加水后的最初液面能否保持不變，學生簡單思考后認為不能，并指出滲透壓力變小而液面高度差形成的壓力增大，不能維持加水后最初液面高度。既然滲透裝置不能平衡，那么實驗中漏斗中液面需下降而燒杯中液面需要上升才能再次平衡。那么再次平衡時h2與初次平衡時h1究竟有何關系呢？

圖2

不憤不啟，不悱不發。既然良好教學環境已經形成，這便是訓練學生利用科學思維解決實際問題的良機。這時教師引導學生針對上述問題提出自己的假設，不同學生提出了不同的觀點。筆者繼續利用圖2丙物理模型進行分析，假設再次平衡時漏斗液面高度為b2，燒杯液面高度為a2，即再次平衡時h2=b2-a2。而比較h2與h1的大小關系，其實可以通過比較(b2-b1)的差值與(a2-a1)的差值關系確定。

接著引導學生按照自己的假說并結合圖2丙進行演繹推理：若認為再次平衡時h2與h1相等，可推理出(b2-b1)=(a2-a1)，這時可推導出液面高度差不變，即對半透膜產生向下的壓力與初次平衡時一樣，結合圖2丙可推理出漏斗中總液體量增加，即蔗糖溶液濃度降低，漏斗內外濃度差比初次平衡時減小，即得出再次平衡時滲透壓力比初次平衡時減小。這種情況下演繹推理出的結果是半透膜兩側的力不能保持平衡，這與實際結果中滲透裝置已經再次平衡產生矛盾，學生很快得出結論，h2與h1相同的假設顯然不能成立，即這種結論是錯誤的。若認為再次平衡時h2大于h1的話，學生仍可按照這種假設進行演繹推理，可推導出圖2丙中(b2-b1)>(a2-a1)，此時可分析出再次平衡時高度差產生向下的壓力比初次平衡時大，而漏斗中實際液面比初次平衡時高，即意味著漏斗中蔗糖溶液濃度比初次平衡時低，這種狀態下半透膜內外滲透壓力比初次平衡時小，這種推理結果是h2大于h1時裝置不能保持平衡，顯然與實際上滲透裝置已經達到平衡相矛盾，學生很快歸納出這種假設也是不可能成立的。對于認為h2比h1小的觀點，學生按照這種假說很快推理出滲透裝置再次平衡時，利用圖2丙物理模型可推導出(b2-b1)<(a2-a1)，即高度差減小后產生向下的壓力比初次平衡要小，而漏斗中蔗糖液體量增加，蔗糖濃度減小產生的滲透壓力與初次平衡時也變小，這種情況下裝置才可能再次平衡，與實際情況下裝置已經平衡吻合，比較可知這種假說成立。

學生經過分析物理模型，比較兩次平衡時燒杯中液面高度差與漏斗液面高度差的關系，利用“假說-演繹法”進行推理分析，科學比較演繹推理結論和實際實驗結果的關系，解決問題的同時也順理成章得出科學結論。這種結論是學生通過真思考、真推理和真比較所獲得的，自然是學生能夠接受和認可的。分析完向漏斗中加少量水這種條件引起的再次平衡后，很多學生又興趣盎然地分析向燒杯中加少量水或吸去適量水等再次平衡難題，并很快得出正確結論。古語云：“授人以魚，不如授人以漁。”現在看來，教學生答案和知識，不如教他們思考問題的方法和解決問題的途徑，這樣才能讓學生真正具有處理復雜問題和解決實際問題的能力。