王姍歡+崔鴻

摘 要 在繼承教材中“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”模擬實(shí)驗(yàn)方案的合理性的基礎(chǔ)上，針對其存在的安全性和科學(xué)性問題，提出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案，通過準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)記錄電導(dǎo)率的變化，有力地揭示出細(xì)胞大小與外界物質(zhì)交換率的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)過程，推動學(xué)生參與合作探究，在探究中逐步推進(jìn)其生物學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案 電導(dǎo)率 核心素養(yǎng)

中圖分類號 Q-331 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”是人教版高中生物必修1教材中第六章第一節(jié)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。教材把本實(shí)驗(yàn)安排在“細(xì)胞通過分裂進(jìn)行增殖”之前的目的是：讓學(xué)生通過探究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系，理解細(xì)胞不能無限長大的原因，進(jìn)而明白細(xì)胞分裂的必要性。

教材的實(shí)驗(yàn)方案中用含酚酞的瓊脂塊模擬細(xì)胞，用NaOH模擬被細(xì)胞吸收的物質(zhì)，利用NaOH與酚酞的顯色反應(yīng)原理，通過測量NaOH擴(kuò)散進(jìn)不同大小的瓊脂塊的深度，進(jìn)而計(jì)算出NaOH擴(kuò)散的體積與整個(gè)瓊脂塊體積的比值，即擴(kuò)散速率，從而探究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸效率的關(guān)系，使學(xué)生理解細(xì)胞不能無限長大的原因。

通過實(shí)施教材實(shí)驗(yàn)方案，筆者進(jìn)行了反思，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)方案主要存在以下問題：待擴(kuò)散一定的時(shí)間后，即將瓊脂塊取出并切塊測量擴(kuò)散深度，之后不能再繼續(xù)放入NaOH溶液中，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一次性記錄的，沒有科學(xué)地反映細(xì)胞對物質(zhì)運(yùn)輸?shù)摹跋鄬B續(xù)性”。

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案

在繼承教材實(shí)驗(yàn)方案的合理性的基礎(chǔ)上，針對上述客觀問題，筆者采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案即電導(dǎo)率法，對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行改進(jìn)。電導(dǎo)率即溶液傳導(dǎo)電流的能力，反映的是單位時(shí)間內(nèi)溶液中電導(dǎo)量的變化。純水的電導(dǎo)率很小，當(dāng)水中含有無機(jī)酸、堿、鹽或有機(jī)帶電膠體時(shí)，溶解于水中的電解質(zhì)解離成陰、陽離子，電導(dǎo)率就增加；反之則下降。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

瓊脂粉、NaCl、蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

該實(shí)驗(yàn)方案中除了用到玻璃棒、燒杯、培養(yǎng)皿等常用的儀器外，還用到了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由電導(dǎo)率傳感器、鉑黑電極、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和配套軟件（即友高數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室V6.0）等構(gòu)成，能夠?qū)?shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為同步監(jiān)測的信號，最終由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄下來。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)物質(zhì)擴(kuò)散的特性，離子從高濃度向低濃度進(jìn)行移動，移動面越大，移動離子量越大，產(chǎn)生電導(dǎo)率就越大。將三組相同體積、不同表面積的含NaCl的瓊脂塊放在盛有蒸餾水的燒杯中，NaCl就很快會電離出Na+、Cl-，并向低濃度方向移動。在攪拌的過程中，各個(gè)燒杯中的瓊脂塊分散開來，其中Na+、Cl-在盛有表面積最大的瓊脂塊組合的燒杯中擴(kuò)散最快，通過鉑黑電極感應(yīng)并記錄在計(jì)算機(jī)上，其電導(dǎo)率最大。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

基于上述實(shí)驗(yàn)原理，本實(shí)驗(yàn)課題的實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)如下：

（1） 制作瓊脂塊。1 000 mL清水中加入12～13 g瓊脂粉，加熱攪拌溶解完全，后加入40 gNaCl，攪拌，沸騰后停止加熱。稍冷卻后，將溶液倒入燒杯中并冷卻，約1～2 h溶液轉(zhuǎn)變成固體瓊脂，切成若干個(gè)邊長為2 cm的立方塊。將其中兩個(gè)邊長為2 cm的立方瓊脂塊按垂直的方向縱切兩刀以及橫切一刀（以下簡稱“三刀切”）得到兩組各含8個(gè)1 cm×1 cm×1 cm的瓊脂塊組（注意暫時(shí)不要拆分），再將其中的一組共8個(gè)2 cm×2 cm×2 cm的瓊脂塊繼續(xù)按此“三刀切”法切成一組共64個(gè)0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的瓊脂塊，并放在培養(yǎng)皿中，如圖1所示。

（2） 連接數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將鉑黑電極浸沒于裝有蒸餾水的燒杯中；單擊專用軟件“研究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”，進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)窗口”界面；單擊“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”，正常情況下，界面顯示電導(dǎo)數(shù)據(jù)。可以單擊“參數(shù)設(shè)置”更改采樣間隔（或采集頻率）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件單擊右下下拉式選項(xiàng)框，選擇“實(shí)驗(yàn)一”。

（3） 進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)一”：迅速用藥匙將邊長為2 cm的立方瓊脂塊放入盛有蒸餾水的燒杯中，并單擊計(jì)算機(jī)操作界面的“記錄數(shù)據(jù)”，邊攪拌邊即時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；待圖形以及數(shù)據(jù)穩(wěn)定后單擊“停止記錄”；單擊“選擇數(shù)據(jù)”，將鼠標(biāo)移動到所要選擇的數(shù)據(jù)區(qū)域起點(diǎn)和終點(diǎn)單擊即可；單擊“線性模擬”，軟件會自動對所選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，并將電導(dǎo)率記錄到“電導(dǎo)變化率”后的方框內(nèi)；單擊“保存”，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將保存到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，若要重復(fù)實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊“重復(fù)”按鈕或關(guān)閉當(dāng)前“實(shí)驗(yàn)窗口”重復(fù)步驟（3）。

（4） 進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)二”：將上述燒杯中的邊長為2 cm的立方瓊脂塊倒掉，用蒸餾水清洗鉑黑電極及燒杯，并擦干電極，向燒杯中加入干凈的蒸餾水，并迅速用藥匙將8個(gè)1 cm×1 cm×1 cm的瓊脂塊放入其中，同步驟（3），邊攪拌邊即時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后生成新的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

（5） 進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)三”：首先同步驟（4），將燒杯中的瓊脂塊更換為64個(gè)0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的瓊脂塊組；接著同步驟（3），邊攪拌邊即時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后生成新的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

（6） 單擊“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”，將操作界面中的實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫完整，單擊實(shí)驗(yàn)報(bào)告最右下角的“保存”按鈕，系統(tǒng)將自動生成完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子文檔。

1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

基于上述的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，導(dǎo)電變化率由0開始變化，實(shí)驗(yàn)開始后即每秒實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)。由于本實(shí)驗(yàn)涉及到不同規(guī)格的瓊脂塊，故分為3個(gè)子實(shí)驗(yàn)，依次用的瓊脂塊組為1個(gè)2 cm×2 cm×2 cm 、8個(gè)1 cm×1 cm×1 cm和64個(gè)0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm，分別記為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)三。待電導(dǎo)由0.00 mS增加至相近的數(shù)值時(shí)，停止記錄，并點(diǎn)擊“線性模擬”可得到三條斜率不同的曲線（其斜率反映的就是電導(dǎo)率值）及表格數(shù)據(jù)，即實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

比較上述結(jié)果，得出：相同體積的瓊脂塊隨著被分割的越多，電導(dǎo)率變化越大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：相同體積下電導(dǎo)率變化隨著表面積增加而增大。即生物體相同體積內(nèi)，細(xì)胞越小，細(xì)胞數(shù)量越多，與外界物質(zhì)交換運(yùn)輸越多。

2 對比及反思

2.1 實(shí)驗(yàn)方案的對比

將改進(jìn)后的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案與教材實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行對比，不難發(fā)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案存在以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 充分利用了瓊脂親水、疏松的結(jié)構(gòu)特性，便于進(jìn)行物質(zhì)吸收；（2） 克服了因使用NaOH溶液帶來的安全隱患，且大大縮短實(shí)施實(shí)驗(yàn)的時(shí)間；3 能動態(tài)反映“物質(zhì)擴(kuò)散的連續(xù)性”，即能拉近模擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)的細(xì)胞進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸?shù)木嚯x，故更具直觀性與科學(xué)性。但它與教材實(shí)驗(yàn)方案相比，都存在共同的缺點(diǎn)：即由于瓊脂塊不太好切成不同邊長的立方塊，往往制作出來的瓊脂塊殘缺不全。

2.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的反思

從實(shí)驗(yàn)結(jié)論來看，該實(shí)驗(yàn)不僅說明了細(xì)胞的相對表面積越大，其物質(zhì)運(yùn)輸效率越大；同時(shí)也可說明細(xì)胞膜廣闊的膜面積為多種酶提供了大量的附著位點(diǎn)，有利于細(xì)胞內(nèi)各類生化反應(yīng)的順利進(jìn)行。當(dāng)然不僅細(xì)胞膜如此，整個(gè)生物膜系統(tǒng)皆如此，便于學(xué)生深入理解結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)。

從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來看，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)用的突出優(yōu)點(diǎn)在于精確、直觀、省時(shí)。所以，應(yīng)用傳統(tǒng)方法與儀器進(jìn)行的定性實(shí)驗(yàn)，如比較過氧化氫在不同條件下的分解等，可以加以改進(jìn)為定量的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，通過直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很容易得出結(jié)論。

從生物學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展來看，該實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了以下幾點(diǎn)：（1） 注重學(xué)生生命觀念的形成，即體現(xiàn)了物質(zhì)運(yùn)輸是一個(gè)連續(xù)進(jìn)行的過程，同時(shí)需要指出的是此模擬實(shí)驗(yàn)未能反映出細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能特性，借此需要強(qiáng)調(diào)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性，即生物學(xué)研究對象的生命性。（2） 注重學(xué)生理性思維的形成，即整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用到了模型建構(gòu)（包含數(shù)學(xué)模型、物理模型的建構(gòu)）的科學(xué)方法，并注重學(xué)生批判性思維的發(fā)展，能在繼承教材實(shí)驗(yàn)方案的合理性的基礎(chǔ)上思考并提出改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也滲透了辯證唯物主義觀的教育。（3） 強(qiáng)化了學(xué)生的科學(xué)探究能力，學(xué)生以小組為單位，能在教師的引導(dǎo)下積極思考、探討如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，并能實(shí)時(shí)記錄且分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，極大提升其探究能力及團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。

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