“細胞大小與物質運輸的關系”實驗的改進

張順

[摘 要]對于“細胞大小與物質運輸的關系”實驗，教材選用內含酚酞的瓊脂塊模擬細胞、NaOH模擬被細胞吸收的物質，來探討細胞大小與物質運輸的關系。經過分析研究發現教材實驗存在不足。以內含堿性（NaOH）酚酞的瓊脂塊模擬細胞、白醋模擬被細胞吸收的物質，并采用魚形模具制備瓊脂塊，對實驗進行改進，實驗方法更簡、步驟更省、效果更顯著。

[關鍵詞]細胞大小；物質運輸；實驗改進

[中圖分類號] G633.91 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）29-0095-02

一、原實驗存在的問題

“細胞大小與物質運輸的關系”是人教版生物必修1第六章第一節《細胞的增殖》中的實驗。按照教材的實驗原理和步驟進行實驗操作，存在以下問題：

（1）實驗現象不明顯：無色的含酚酞的瓊脂塊一浸入0.1%NaOH溶液，表面立刻變成紅色，觀察不到內部顏色變化的過程。

（2）燒杯內的浸泡液也變成紅色，干擾了對瓊脂塊的觀察。

（3）無法確定取出瓊脂塊的最佳時間。

（4）切開瓊脂塊后顏色界限模糊，測量誤差大。

（5）要制作供全班學生使用的、大量的、不同大小的瓊脂塊比較困難，人工切割得到的瓊脂塊往往又殘缺不全，浪費大量實驗材料。

針對上述問題，筆者先讓學生利用網絡查閱資料，然后結合所收集到的資料對實驗的方法進行歸納總結，最后師生共同分析討論，嘗試提出新的實驗改進思路。學生通過查閱資料發現，俞如旺、劉薇、潘建勛等人提到以石蕊瓊脂塊—冰乙酸、淀粉瓊脂塊—碘液替代酚酞瓊脂塊—NaOH，與教材實驗方案沒有實質性的區別。針對教材實驗方案中的關鍵問題：無色的瓊脂塊浸入NaOH后，表面立刻變成紅色，干擾了對其內部顏色變化的觀察，因此無法確定取出瓊脂塊的最佳時間。結合教材實驗原理，有學生想到：若一開始在制備瓊脂塊時，將堿與酚酞一同加入，得到紅色的瓊脂塊，再將其浸泡在酸性溶液中，這樣其表面的紅色會褪為無色，就不會干擾觀察了。該想法頗有新意，值得稱贊。

文獻調查中也發現，汪曉琳在《模擬探究“細胞表面積與細胞體積的關系”實驗的改進》一文中提到以粉紅色瓊脂塊（內含堿性酚酞）—白醋進行替代，可觀察到瓊脂塊褪去紅色的動態過程，并以邊長為1厘米的正方體瓊脂塊完全褪色的時間為實驗終止時間。這是從實驗原理方面進行的實驗改進方法，值得一試。文中選擇的堿為氨水。煮沸瓊脂液后加氨水調節pH至8，再將酚酞溶于無水乙醇，配制成酚酞指示劑，并向瓊脂液中加入數十滴。筆者在實際操作中發現存在以下問題：

（1）制備出的瓊脂塊紅色淺，不易觀察最小的瓊脂塊何時完全褪色。

（2）氨水有毒，易揮發出有刺激性氣味的氣體。

（3）操作步驟復雜耗時。在室溫低時，可能調節pH、加酚酞指示劑的過程還未結束，瓊脂液已經凝固。

二、實驗的改進方案

參照教師教學用書指導的制備瓊脂塊的方法，將瓊脂粉加水煮沸后，直接先加酚酞攪拌溶解，得到含酚酞的瓊脂液，接著只需考慮加入合適的堿。

在堿的選擇上，我們曾嘗試過用Na2CO3以及教材方案中提到的 0.1%NaOH，并改變試劑用量，組織學生分組實驗。但制備出的瓊脂塊紅色淺，效果都不太好。最終我們選擇0.1g∕mL的NaOH，在每升含酚酞的瓊脂液中，只需加入3～4滴，即可制備出深紅色的瓊脂塊。操作簡便，實驗效果明顯。

為解決利用傳統方法制備瓊脂塊的困難，借助網絡信息，我們找到了北京川布蘭生物技術開發有限公司設計的魚形模具（因其外形酷似水中游魚而得名）。它的主體材質為高強度的工程塑料，耐高溫、抗變形。根據實驗需求，內設三個小室，大小分別為3×3×3cm、2×2×2cm、1×1×1cm。趁熱將瓊脂液倒入其中，冷卻后即可敲出三個符合需求的瓊脂塊。既標準，又節約時間。

三、實驗改進方案的實施

確立實驗改進方案后，將內含堿性（0.1g∕mL NaOH）酚酞的紅色瓊脂塊模擬細胞放在白醋中浸泡觀察。為方便記錄、處理數據，以邊長為1厘米的正方體瓊脂塊完全褪色的時間為實驗終止時間。

1. 實驗材料與儀器

瓊脂粉、蒸餾水、酚酞、0.1g∕mL NaOH、白醋、魚形模具、電鍋、電磁爐、玻璃棒、燒杯、一次性手套、塑料勺、吸水紙、濾紙片、小刀、毫米尺、托盤天平。

2. 方法步驟

（1）在電鍋內加入1L蒸餾水，稱取30g瓊脂粉置于其中，用電磁爐加熱，同時用玻璃棒不斷攪拌，煮沸至溶解；稱取1g酚酞于燒杯中，再將所得溶液倒入燒杯，攪拌至酚酞完全溶解。邊攪拌邊滴加3～4滴0.1g∕mL NaOH至溶液變成深紅色。趁熱將瓊脂液倒入魚形模具，等待冷卻。（如圖1）

（2）輕輕敲擊魚形模具，將三個瓊脂塊敲入燒杯中。倒入白醋淹沒瓊脂塊，用玻璃棒輕輕翻動。以邊長為1厘米的正方體瓊脂塊完全褪色的時間為實驗終止時間。

（3）戴上手套，用勺子迅速取出瓊脂塊，置于吸水紙上，再用濾紙片吸干表面的水分。用小刀從中切開，并用毫米尺測量，隨后記錄、處理數據，填寫實驗結果記錄表，最后得出實驗結論。

3.實驗改進前后效果對比（如圖2）

含堿性（0.1g/mL NaOH）酚酞的深紅色瓊脂塊一浸入白醋，便可清晰地觀察到紅色由外向內逐漸褪去，可準確地觀察到最小的瓊脂塊在室溫25℃的環境下，完全褪色用時12分鐘。切開瓊脂塊后，顏色界限分明，測量準確，此時物質擴散深度都為0.5cm。

4.實驗注意事項

（1）按照教師教學用書的指導，每升蒸餾水加30g瓊脂粉。若瓊脂粉的用量太少或太多，則制備出的瓊脂塊就會太軟或太硬，二者實驗效果都不好。酚酞和堿的用量也會影響實驗效果。本實驗中每升瓊脂液加1g酚酞，3～4滴0.1g∕mL NaOH，實驗效果良好。

（2）取出瓊脂塊后，物質擴散仍在繼續，所以取出、切割、測量的動作一定要迅速，以免造成較大的誤差。

四、 實驗總結與反思

改進實驗后，實驗方法更簡，步驟更省，效果更顯著。學生通過網絡查閱資料，找到能使實驗更便捷的魚形模具， 經過一步步實踐探究，親自體會改進方案獲得良好實驗效果的喜悅，培養了大膽質疑、勇于創新的科學精神和科學態度，同時體會到實驗改進的一般思路：在分析現有實驗方案不足的基礎上，可從實驗原理、實驗試劑、實驗步驟等方面著手改進，但實驗目的不變。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 俞如旺，劉薇.“細胞大小與物質運輸的關系”實驗的改進研究[J].生物學通報，2013（3）：45-46.

[2] 潘建勛.“細胞大小與物質運輸的關系”模擬實驗的改進探究[J].生物學通報，2009（7）：38-39.

[3] 汪曉琳.利用實驗材料改進實驗：“模擬探究細胞表面積與細胞體積的關系”實驗的改進[J].生物學通報，2015（3）：36-27.

（責任編輯 黃春香）