《探究植物細胞的吸水和失水》實驗

潘麗君

生物學是一門以實驗為基礎的自然學科，生物學實驗是學生獲取生物知識的最有效手段之一，因此對于學生的實驗操作則有一定的要求。《探究植物細胞的吸水和失水》屬新課標人教版必修1第四章第一節的內容，在課本61頁，它在教材中具有承上啟下的作用，既與第三章“細胞膜的結構功能”有一定的聯系，同時又為學生理解物質跨膜運輸的特點和后面兩節的學習起到鋪墊作用。該實驗是高中生物課程的第一個探究實驗，第一次將科學探究獨立提出，也是高考考綱中的一個重要考點。學生在嘗試提出問題、作出假設、設計實驗等教學環節里體驗科學探究的一般過程，掌握科學探究的思維方法，從而為完成后面各章節的探究活動打下基礎。

本人根據教材實驗要求進行了實驗，發現實驗效果不是很理想，主要問題有，洋蔥鱗片葉外表皮不易撕取，很難撕取到單層的細胞，細胞重疊，影響觀察；實驗試劑蔗糖溶液濃度高時黏性比較高，如果在實驗過程中沾到物鏡上，不易擦拭。雖然本實驗課本定義為探究性實驗，但是實驗原理學生已經很清楚，所以整個探究過程實質是以驗證實驗進行的。故本人根據實驗出現的缺陷對本實驗進行了改進。

一、實驗材料的選擇

在高考中，學生在實驗試題的得分率均比較低，事實上與我們實驗教學有關，《探究植物細胞的吸水和失水》實驗教材中用到的實驗材料是洋蔥，每年學生做該實驗也是提供洋蔥做，但是近幾年高考題中涉及到該實驗時，實驗材料已經不再是紫色洋蔥鱗片葉外表皮了，比如2014年全國卷Ⅰ選擇題第4題關于植物質壁分離的敘述，選項里面除了有紫色洋蔥鱗片葉外表皮外，還出現了黑藻，和白色花瓣、紅色花瓣。因此，對本實驗的材料選擇進行改進已經是時代要求。

紫色洋蔥呈紫色的部分僅僅是鱗片葉的外表皮，并且僅有幾層，學生在操作過程中比較浪費，另外洋蔥鱗片葉外表皮不易撕取，很難撕取到單層的細胞，細胞重疊，影響觀察。因此在此基礎上，我做了以下改進。

一是考慮用紫色洋蔥鱗片葉內表皮，內表皮易于撕取，雖然液泡中無紫色，但是可以用添加了紅墨水的實驗試劑來進行實驗 [1]。

二是增加實驗材料，不僅僅只用洋蔥鱗片葉，在此基礎上還增加了黑藻和水綿。黑藻和水綿是高中實驗教學中常見的實驗材料，同時也是高考實驗題中高頻考點。雖然黑藻葉細胞沒有紫色液泡，但并不影響觀察質壁分離及質壁分離復原現象，因為其細胞質充滿葉綠體，除了液泡外，幾乎整個細胞就是綠色的，因此，也能夠與外界無色溶液形成對比，分散的葉綠體被擠壓在一起，非常容易觀察到質壁分離及質壁分離復原現象，同時可以觀察到液泡體積的變化，只是無法觀察液泡顏色變化。水綿也是高中生物實驗一個主要的材料，教材中對水綿的應用只有恩格爾曼探究光合作用場所時用到，在該實驗中用水綿做實驗，體現了實驗的創新性。水綿細胞是單列細胞，可直接制作裝片，制作簡單，效果顯著。水綿細胞質基質中含有大量葉綠體，幾乎整個細胞就是綠色的，因此，和黑藻細胞一樣，非常容易觀察到質壁分離及質壁分離復原現象。

二、實驗試劑的改進

根據教材中用到0.3g/ml蔗糖溶液進行實驗，細胞發生質壁分離和復原時間過長，一節課時間學生觀察時間有限，不能起到很好的觀察效果，并且還會因為學生操作過程中操作不當，容易將蔗糖溶液灑在載物臺上，粘稠的蔗糖溶液不易擦拭干凈。因此在實驗試劑的選擇上要遵循質壁分離和復原時間短的原理，同時操作也要簡單易進行。通過查閱文獻，發現用NaCl溶液[3]代替蔗糖溶液有較好的效果。配置濃度2%-5%的NaCl溶液細胞發生質壁分離和復原的效果優于30%蔗糖溶液發生質壁分離的效果，其中3%的NaCl溶液效果最好。另外，即使有少量NaCl溶液不慎灑在載物臺上或者粘在物鏡上，直接用吸水紙擦干即可，對顯微鏡不會造成影響

對于用無色的洋蔥鱗片葉內表皮進行實驗，不便觀察，故將配置的NaCl溶液中滴加紅墨水。通過洋蔥鱗片葉內表皮實驗，讓學生觀察色素能否進入細胞，感受細胞膜控制物質進出的功能，并能直觀地體現選擇透過性這一特點。 用加入紅墨水的NaCl溶液作試劑（紅墨水和NaCl溶液的比例是1∶3）進行實驗，顏色對比鮮明。當發生質壁分離時可以觀察到無色液泡的體積呈不同程度的縮小，但始終是無色的，也就說明紅色溶液進入細胞壁但不能進入原生質層，從而證明細胞壁具有全透性，而原生質層具有選擇透過性。

教材中提供蔗糖溶液和清水作為試劑進行實驗，先滴加蔗糖溶液讓植物細胞發生質壁分離，之后再滴加清水，讓植物細胞質壁分離復原，可以考慮配置一定濃度的KNo3溶液來進行質壁分離和自動復原的實驗。KNo3溶液可以被植物細胞吸收發生質壁分離復原，從而省卻清水步驟，操作方便，用時較短。KNo3溶液的最適分離濃度為0.10g/mol，此濃度下植物細胞質壁分離時間較短，同時自動復原時間也較短。但是用KNo3溶液做實驗試劑時間則比較難控制，要求學生要連續觀察，對學生實驗操作能力要求比較高。

上述的實驗材料和實驗試劑的改進，不僅可以節約觀察時間，又可以實驗質量，大大提高了生物實驗課堂的效率。另外，在該節實驗課中，一個學生不可能完成全部的實驗操作，因此可以分組進行，通過不同實驗材料和實驗試劑的對比，可以擴大學生的研究范圍，通過改進實驗，學生已經初步具有了設計并進行相關實驗的能力。在實驗中，學生們通過直接觀察色素不能進入細胞，深刻感受到了細胞膜的控制物質進出的功能，為后續的物質跨膜運輸的學習打下了堅實的基礎。同時通過自己設計并進行實驗，大大提升了學生設計實驗以及實驗操作的能力。

在本節實驗課中，學生自己動手，自己選材，自己設計實驗，對學生生物科學素養及實驗操作能力都有很大提升，真正做到了探究實驗中的探究。同時改進后的實驗與教材有出入，無章可循，學生必須自己探究實驗過程，在此過程中發現問題解決問題，這些對學生都是一個學習的過程，同時也是提高生物學實驗操作能力的過程。