“細胞大小與物質運輸的關系”的數字化實驗改進探討

王姍歡+崔鴻

摘 要 在繼承教材中“細胞大小與物質運輸的關系”模擬實驗方案的合理性的基礎上，針對其存在的安全性和科學性問題，提出數字化實驗方案，通過準確、實時記錄電導率的變化，有力地揭示出細胞大小與外界物質交換率的關系。通過實驗改進過程，推動學生參與合作探究，在探究中逐步推進其生物學核心素養的發展。

關鍵詞 數字化實驗方案 電導率 核心素養

中圖分類號 Q-331 文獻標志碼 B

“細胞大小與物質運輸的關系”是人教版高中生物必修1教材中第六章第一節的一個實驗。教材把本實驗安排在“細胞通過分裂進行增殖”之前的目的是：讓學生通過探究細胞大小與物質運輸的關系，理解細胞不能無限長大的原因，進而明白細胞分裂的必要性。

教材的實驗方案中用含酚酞的瓊脂塊模擬細胞，用NaOH模擬被細胞吸收的物質，利用NaOH與酚酞的顯色反應原理，通過測量NaOH擴散進不同大小的瓊脂塊的深度，進而計算出NaOH擴散的體積與整個瓊脂塊體積的比值，即擴散速率，從而探究細胞大小與物質運輸效率的關系，使學生理解細胞不能無限長大的原因。

通過實施教材實驗方案，筆者進行了反思，發現該實驗方案主要存在以下問題：待擴散一定的時間后，即將瓊脂塊取出并切塊測量擴散深度，之后不能再繼續放入NaOH溶液中，故實驗結果是一次性記錄的，沒有科學地反映細胞對物質運輸的“相對連續性”。

1 數字化實驗方案

在繼承教材實驗方案的合理性的基礎上，針對上述客觀問題，筆者采用數字化實驗方案即電導率法，對實驗設計思路進行改進。電導率即溶液傳導電流的能力，反映的是單位時間內溶液中電導量的變化。純水的電導率很小，當水中含有無機酸、堿、鹽或有機帶電膠體時，溶解于水中的電解質解離成陰、陽離子，電導率就增加；反之則下降。

1.1 實驗材料

瓊脂粉、NaCl、蒸餾水。

1.2 實驗儀器

該實驗方案中除了用到玻璃棒、燒杯、培養皿等常用的儀器外，還用到了數字化實驗系統。數字化實驗系統主要由電導率傳感器、鉑黑電極、數據采集器、計算機和配套軟件（即友高數字化實驗室V6.0）等構成，能夠將實驗現象轉化為同步監測的信號，最終由計算機實時記錄下來。

1.3 實驗原理

根據物質擴散的特性，離子從高濃度向低濃度進行移動，移動面越大，移動離子量越大，產生電導率就越大。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散最快，通過鉑黑電極感應并記錄在計算機上，其電導率最大。

1.4 實驗過程

基于上述實驗原理，本實驗課題的實驗過程設計如下：

（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溶液轉變成固體瓊脂，切成若干個邊長為2 cm的立方塊。將其中兩個邊長為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1 cm×1 cm×1 cm的瓊脂塊組（注意暫時不要拆分），再將其中的一組共8個2 cm×2 cm×2 cm的瓊脂塊繼續按此“三刀切”法切成一組共64個0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的瓊脂塊，并放在培養皿中，如圖1所示。

（2） 連接數字化實驗系統。將鉑黑電極浸沒于裝有蒸餾水的燒杯中；單擊專用軟件“研究細胞大小與物質運輸的關系”，進入“實驗窗口”界面；單擊“實驗準備”，正常情況下，界面顯示電導數據。可以單擊“參數設置”更改采樣間隔（或采集頻率）。根據實驗條件單擊右下下拉式選項框，選擇“實驗一”。

（3） 進行“實驗一”：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，并單擊計算機操作界面的“記錄數據”，邊攪拌邊即時記錄實驗過程產生的實驗數據；待圖形以及數據穩定后單擊“停止記錄”；單擊“選擇數據”，將鼠標移動到所要選擇的數據區域起點和終點單擊即可；單擊“線性模擬”，軟件會自動對所選擇的數據進行數據擬合，并將電導率記錄到“電導變化率”后的方框內；單擊“保存”，實驗結果將保存到實驗報告中，若要重復實驗，點擊“重復”按鈕或關閉當前“實驗窗口”重復步驟（3）。

（4） 進行“實驗二”：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1 cm×1 cm×1 cm的瓊脂塊放入其中，同步驟（3），邊攪拌邊即時記錄實驗數據，最后生成新的電導率數據。

（5） 進行“實驗三”：首先同步驟（4），將燒杯中的瓊脂塊更換為64個0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的瓊脂塊組；接著同步驟（3），邊攪拌邊即時記錄實驗數據，最后生成新的電導率數據。

（6） 單擊“實驗報告”，將操作界面中的實驗報告填寫完整，單擊實驗報告最右下角的“保存”按鈕，系統將自動生成完整的實驗報告電子文檔。

1.5 實驗結果及其分析

基于上述的數字化實驗系統，導電變化率由0開始變化，實驗開始后即每秒實時計數。由于本實驗涉及到不同規格的瓊脂塊，故分為3個子實驗，依次用的瓊脂塊組為1個2 cm×2 cm×2 cm 、8個1 cm×1 cm×1 cm和64個0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm，分別記為數字化實驗一、數字化實驗二、數字化實驗三。待電導由0.00 mS增加至相近的數值時，停止記錄，并點擊“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率值）及表格數據，即實驗結果見表1，所得到的實驗數據曲線如圖2所示。

比較上述結果，得出：相同體積的瓊脂塊隨著被分割的越多，電導率變化越大。

實驗結論：相同體積下電導率變化隨著表面積增加而增大。即生物體相同體積內，細胞越小，細胞數量越多，與外界物質交換運輸越多。

2 對比及反思

2.1 實驗方案的對比

將改進后的數字化實驗方案與教材實驗方案進行對比，不難發現數字化實驗方案存在以下優點：（1） 充分利用了瓊脂親水、疏松的結構特性，便于進行物質吸收；（2） 克服了因使用NaOH溶液帶來的安全隱患，且大大縮短實施實驗的時間；3 能動態反映“物質擴散的連續性”，即能拉近模擬實驗與真實的細胞進行物質運輸的距離，故更具直觀性與科學性。但它與教材實驗方案相比，都存在共同的缺點：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 實驗改進后的反思

從實驗結論來看，該實驗不僅說明了細胞的相對表面積越大，其物質運輸效率越大；同時也可說明細胞膜廣闊的膜面積為多種酶提供了大量的附著位點，有利于細胞內各類生化反應的順利進行。當然不僅細胞膜如此，整個生物膜系統皆如此，便于學生深入理解結構與功能相適應的觀點。

從實驗系統來看，數字化實驗系統的運用的突出優點在于精確、直觀、省時。所以，應用傳統方法與儀器進行的定性實驗，如比較過氧化氫在不同條件下的分解等，可以加以改進為定量的數字化實驗，通過直觀的實驗數據很容易得出結論。

從生物學核心素養的發展來看，該實驗體現了以下幾點：（1） 注重學生生命觀念的形成，即體現了物質運輸是一個連續進行的過程，同時需要指出的是此模擬實驗未能反映出細胞膜的結構與功能特性，借此需要強調細胞膜結構與功能的統一性，即生物學研究對象的生命性。（2） 注重學生理性思維的形成，即整個實驗過程中運用到了模型建構（包含數學模型、物理模型的建構）的科學方法，并注重學生批判性思維的發展，能在繼承教材實驗方案的合理性的基礎上思考并提出改進的實驗設計方案，同時也滲透了辯證唯物主義觀的教育。（3） 強化了學生的科學探究能力，學生以小組為單位，能在教師的引導下積極思考、探討如何改進實驗設計方案，并能實時記錄且分析實驗數據、得出結論，極大提升其探究能力及團結協作精神。

參考文獻：

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