“膜的透性”探究實驗的設計

郭琪琦

(廣東省深圳市第二實驗學校 518021) 劉香梅 (遼寧師范大學附屬中學 大連 116023)

“通過模擬實驗探究膜的透性”是課程標準中對“闡明質膜具有選擇透過性”這一核心概念的活動建議。人教版生物學教材《分子與細胞》中提供了一套由長頸漏斗、燒杯、玻璃紙、蔗糖溶液和清水等組成的滲透裝置。由于這套實驗裝置存在操作較復雜、實驗現象不明顯和實驗時間較長等問題，很多教師對該實驗裝置進行了改進。例如，通過對比實驗發現雞蛋卵殼膜是實驗效果較好的生物材料[1]，用礦泉水瓶、塑料管自制裝置并加裝刻度尺使實驗結果量化[2]，甚至是將實驗裝置直接簡化為由雞蛋、培養皿組成等[3]。這些改進使得該實驗不再是模擬實驗，而是使用真實的生物材料來探究膜的透性。

筆者在中國期刊網(CNKI)以“滲透裝置”為關鍵詞，搜集整理相關實驗研究論文后進行分析發現：教師在教材裝置得到改進之后，幾乎所有的教師都仍然利用教材提供的蔗糖、清水進行實驗，較少有教師在“膜的透性”這一問題上開展更多的探究。而長期以來，學生對于教材中關于“細胞膜的選擇透過性”這一核心概念的敘述：“這種膜可以讓水分子自由通過，一些離子和小分子也可以通過，而其他離子、小分子和大分子則不能通過?！币仓皇且环N較模糊的認知[4]。因此，本文借鑒美國生物學實驗教材中利用透析袋探究膜的選擇透過性的實驗，設計出利用雞蛋卵殼膜探究“膜的透性”的實驗，用以幫助學生理解這一核心概念。

1 實驗設計

1.1 實驗原理 在原有實驗探究蔗糖分子、水分子能否透過生物膜的基礎上，增加3組實驗探究生物膜對淀粉、離子和葡萄糖的透性。涉及到的物質檢測原理有：①碘檢測淀粉，向溶液中加入碘，如果溶液中存在淀粉，碘將變藍；②硝酸銀檢測氯離子，將硝酸銀加入含有氯離子的溶液中，溶液由澄清變為渾濁；③斐林試劑檢測葡萄糖，如果溶液中含有葡萄糖，加入斐林試劑并經水浴加熱后會出現磚紅色沉淀。

1.2 材料用具 雞蛋4枚、紅糖溶液(即蔗糖溶液，深色，便于實驗結果的觀察)、清水、碘液、淀粉溶液、硝酸銀溶液、氯化鈉溶液、葡萄糖溶液、斐林試劑、培養皿4個、泥三角(化學實驗室常用器具)4個。

1.3 實驗過程 具體實驗過程如下：

1.3.1 制備卵殼膜 雞蛋的卵殼膜厚約70 μm，分為外膜和內膜，在雞蛋的鈍端，兩層膜分開形成氣室。去除鈍端蛋殼及其表面的卵殼膜外膜，以鈍端卵殼膜的內膜作為半透膜。

具體的做法是：①用鑷子在雞蛋的銳端輕輕敲出一個小孔，然后將雞蛋的銳端朝下，在鈍端用剪刀尖處刺破一個洞以通氣；②輕輕地將蛋黃和蛋清倒出，并用清水將內部沖洗干凈；③在雞蛋的鈍端找到氣室的位置，將該處蛋殼小心敲碎，輕輕地將蛋殼和內膜剝離，露出直徑為1 cm的卵殼膜[4]。

1.3.2 組裝簡易滲透裝置 取直徑為9 cm的潔凈培養皿，倒入適量溶液1(表1)。在培養皿中放入泥三角，將雞蛋的鈍端架在泥三角上，調整泥三角的高度，使鈍端的卵殼膜浸入培養皿的溶液中。從雞蛋的銳端小孔中加入適量溶液2(表1)。

1.3.3 進行分組實驗 組裝4套簡易滲透裝置(圖1)，按照表1分別加入相應的溶液，進行分組實驗。一段時間后，觀察并記錄實驗結果。

1.4 實驗結果 實驗結果與結論見表1。4組實驗結果顯示，雞蛋卵殼膜可以讓水分子自由通過，氯離子和葡萄糖也可以通過，而銀離子、蔗糖分子和淀粉分子則不能通過，由此說明：生物膜具有選擇透過性。

圖1 簡易滲透裝置設計

組別溶液1培養皿中溶液2蛋殼中實驗結果實驗結論1清水高濃度的紅糖溶液培養皿中溶液減少,顏色無變化;蛋殼中溶液增多,顏色變淺水能夠透過卵殼膜,蔗糖分子不能透過卵殼膜2淀粉溶液碘液培養皿中溶液出現藍色;蛋殼中溶液無明顯變化淀粉分子不能透過卵殼膜3硝酸銀溶液氯化鈉溶液培養皿中出現白色沉淀;蛋殼中溶液無明顯變化氯離子能夠透過卵殼膜,而銀離子不能4清水葡萄糖取培養皿中溶液與斐林試劑反應,產生磚紅色沉淀;取蛋殼中溶液與斐林試劑反應,產生磚紅色沉淀葡萄糖分子能夠透過卵殼膜

2 實驗討論

2.1 實驗裝置設計更加穩定、安全 本實驗進一步改進了由雞蛋和培養皿組成的簡易實驗裝置：用泥三角作為雞蛋殼的支架，比用鑷子夾住雞蛋殼更加穩當，且不必擔心蛋殼被夾破。相比于教材實驗裝置和前人改進的實驗裝置，本實驗材料用具易得，裝置組裝簡便，具有以下優點：①相比于用鹽酸、醋酸等酸性物質溶解雞蛋殼獲取卵殼膜的方法，本實驗使用物理方法更加環保；②不需要將卵殼膜綁在長頸漏斗上，也不需要借用鐵架臺完成組裝，操作簡單；③以泥三角來支撐雞蛋殼，更加穩定、安全；④用培養皿作為膜外溶液的容器，相比燒杯節約了試劑的用量。

2.2 實驗過程比較簡單、現象明顯 經過實驗裝置的改進設計，該實驗的過程更加簡單、現象明顯。這樣，“膜的透性”實驗不再限于課堂演示，還適用于高中生物學課堂開展的探究性教學，學生能夠在實驗課上進行小組合作探究，改進后的實驗設計也可為教師開展課外的研究性學習提供了參考。

2.3 實驗內容有利核心概念的構建 該實驗增加淀粉、離子和葡萄糖等實驗試劑，完善了對“膜的透性”的探究。氯離子、銀離子的通透結果讓學生見證了生物膜的特性：①讓某些離子通過，而某些離子不能通過；②小分子，如葡萄糖能通過，而蔗糖不能通過；③大分子淀粉沒有通過。當學生做完實驗，親眼看到實驗現象，再重讀“生物膜是一種選擇透過性膜，這種膜可以讓水分子自由通過，一些離子和小分子也可以通過，而其他離子、小分子和大分子則不能通過”這句話時，便不再是空泛的概念，而是有親自實踐得到的感性認識，可加深對教材知識的理解。