妙用土豆破難點(diǎn)
——“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸效率的關(guān)系”的模擬實(shí)驗(yàn)

◆廣州市南武中學(xué)高一（10）班 呂雨萱

本期點(diǎn)評(píng)專(zhuān)家

張永強(qiáng) 正高級(jí)教師，湖南省十佳科技教師。科普中國(guó)2021 年十大科普人物獎(jiǎng)獲得者，全國(guó)校園發(fā)明創(chuàng)意大賽、湖南省青少年科技創(chuàng)新大賽、湖南省創(chuàng)新編程與智能設(shè)計(jì)大賽、湖南省科學(xué)調(diào)查體驗(yàn)活動(dòng)評(píng)審專(zhuān)家組成員。

高一生物學(xué)必修1 第六章《細(xì)胞的生命歷程》中，為了讓同學(xué)們更好地理解細(xì)胞為什么不能無(wú)限長(zhǎng)大，老師安排了“運(yùn)用模型作解釋”這樣的一個(gè)思維訓(xùn)練：用邊長(zhǎng)分別為1 cm、2 cm 和3 cm 的正方體模擬三個(gè)大小不同的細(xì)胞，計(jì)算每個(gè)“細(xì)胞”的相對(duì)表面積值和葡萄糖酸鈣進(jìn)入“細(xì)胞”后擴(kuò)散的體積與整個(gè)“細(xì)胞”體積的比值，然后通過(guò)分析這兩組數(shù)據(jù)的關(guān)系，推導(dǎo)上述結(jié)論的合理性。然而，周?chē)耐瑢W(xué)都表示在理解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，或多或少有些吃力。

我留意到，煮熟或炒熟的土豆呈明顯的“半透明”狀態(tài)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資料的查詢(xún)，我知道了其中的奧秘，原來(lái)這個(gè)現(xiàn)象叫淀粉的“糊化”。淀粉“糊化”這個(gè)生活現(xiàn)象能否運(yùn)用到上述模型模擬實(shí)驗(yàn)中，幫助同學(xué)們突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)呢？

帶著這樣的想法，我迫不及待地展開(kāi)了探究，在自家廚房進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

一、實(shí)驗(yàn)步驟

（一）將三個(gè)土豆分別切成邊長(zhǎng)2 cm、2.5 cm、3 cm 的正方體塊。

（二）往鍋中加水，加熱直至沸騰。

（三）將三個(gè)正方體土豆塊同時(shí)放入鍋中加熱2 min，保證它們同時(shí)被水浸沒(méi)。

（四）同時(shí)取出三個(gè)土豆塊，晾涼后將其分別切開(kāi)，它們的剖面如圖3。我們可以清晰地看到，土豆塊中淀粉遇熱、遇水后的“糊化”現(xiàn)象，并且“糊化”的“透明”部分和未“糊化”的“不透明”部分有著清晰的界限，便于進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)測(cè)量。

圖1 將土豆切塊

圖2 加熱土豆塊

圖3 出現(xiàn)“糊化”現(xiàn)象的土豆塊

（五）用刻度尺測(cè)量三個(gè)土豆塊變“透明”部分的深度，

作者有話(huà)說(shuō)：

土豆去皮后暴露在空氣里很快會(huì)被氧化。我在進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，由于切土豆經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致材料制備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，切開(kāi)的土豆被氧化的痕跡明顯，對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的影響。經(jīng)過(guò)多次嘗試，我終于探究出能使該實(shí)驗(yàn)效果最佳的土豆塊的邊長(zhǎng)長(zhǎng)度和加熱的時(shí)長(zhǎng)。并計(jì)算呈“透明狀”體積與土豆塊總體積的百分比。如表1。

表1 三個(gè)土豆塊呈“透明狀”體積與土豆塊總體積的比組

作者有話(huà)說(shuō)：

實(shí)驗(yàn)中土豆塊的邊長(zhǎng)是自變量，土豆“透明”部分與總體積的比值是因變量。加熱時(shí)長(zhǎng)、加熱溫度、土豆浸入水中的深度是無(wú)關(guān)變量。用同一個(gè)鍋加熱、把三個(gè)土豆塊同時(shí)放入鍋中和加足夠多的水使土豆塊完全浸沒(méi)等操作，均體現(xiàn)了對(duì)于無(wú)關(guān)變量的控制。

二、結(jié)果與結(jié)論

觀察實(shí)實(shí)在在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再來(lái)對(duì)比表1 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)本來(lái)“冰冷嚴(yán)肅”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)立馬變得“鮮活生動(dòng)”了，晦澀難懂的實(shí)驗(yàn)理論也變得簡(jiǎn)單明了：“透明”體積與總體積的比值代表細(xì)胞的“物質(zhì)運(yùn)輸效率”，非常直觀。

細(xì)胞的體積越大，相對(duì)表面積則越小，物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男室苍降汀９植坏脮?shū)本上讓我們分析“相對(duì)表面積”和“物質(zhì)擴(kuò)散體積/總體積”這兩組數(shù)據(jù)的關(guān)系呢。這一刻，我恍然大悟！

三、實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（一）材料易得，操作簡(jiǎn)便，在自家廚房就能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，而且操作過(guò)程無(wú)需添加其他的化學(xué)試劑。

（二）現(xiàn)象明顯，能清楚地看到淀粉“糊化”與未“糊化”之間的界限，對(duì)后續(xù)的測(cè)量和分析都很有利。（指導(dǎo)老師：尚莉萍）

作者有話(huà)說(shuō)：

原來(lái)，細(xì)胞不能無(wú)限長(zhǎng)大的主要原因是：細(xì)胞體積越大，需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越多，需排出的代謝廢物也越多，物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞膜的運(yùn)輸速度有限，如果細(xì)胞表面積與體積的比值過(guò)小，則物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞膜的輸入和輸出會(huì)遇到困難，造成細(xì)胞膜“不堪重負(fù)”。此外，細(xì)胞不能無(wú)限長(zhǎng)大的原因和細(xì)胞核對(duì)細(xì)胞的控制能力有很大的關(guān)聯(lián)度。

專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察土豆塊在加熱后的淀粉“糊化”現(xiàn)象，巧妙地展示了細(xì)胞體積與表面積的關(guān)系。這種創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法將復(fù)雜的生物學(xué)原理簡(jiǎn)單化，更易于理解。

實(shí)驗(yàn)材料選擇得當(dāng)，步驟清晰，符合科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本要求。實(shí)驗(yàn)者選用土豆作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其內(nèi)部淀粉含量高，加熱后“糊化”現(xiàn)象明顯，便于觀察。通過(guò)加熱不同尺寸的土豆塊，能更直觀地展示細(xì)胞大小的效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰，與結(jié)論相符。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單明了，通過(guò)加熱土豆塊，可以觀察到淀粉“糊化”的過(guò)程。對(duì)“透明”部分和未“糊化”部分界限的觀察也十分清晰，這有助于后續(xù)的數(shù)據(jù)測(cè)量和計(jì)算。

為進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，建議：盡量選擇形狀規(guī)則、淀粉含量相近的土豆作為實(shí)驗(yàn)材料；可嘗試使用體視顯微鏡來(lái)觀察淀粉“糊化”的過(guò)程，以更精確地測(cè)量“透明”部分和未“糊化”部分的界限。