“滲透作用實驗”的專題復習

徐業義

人教版高中生物《必修1·分子與細胞》教材中關于滲透作用的實驗有兩個，一個是“問題探討”欄目中的“滲透現象”實驗，另一個是正文中“探究植物細胞的吸水和失水”實驗。兩個實驗的基本原理相同，都是利用水分子從滲透壓低的一側向滲透壓高的一側運動，引起膜兩側溶液體積的改變。通過實踐，發現以下措施在滲透作用實驗的專題復習課上可以培養學生的高階思維、提出問題和解決問題等能力，具有較好的教學效果。

1 通過計算加深對滲透壓的理解

滲透作用實驗涉及到的一個重要名詞是滲透壓。初學時，學生往往簡單地將滲透壓與濃度掛鉤，并不清楚是質量濃度還是微粒濃度，形成“水分子通過半透膜由濃度低的一側向濃度高的一側運動”這一并不準確的判斷水分子運動方向的方法。

針對以上情況，教師在復習課上可準備如下實驗器材：紫色洋蔥、顯微鏡、質量濃度為30%的蔗糖溶液和30%NaCl溶液等，并提問：兩種溶液中哪種使洋蔥表皮細胞發生質壁分離的速度更快？學生部分認為一樣快，部分認為30%NaCl快，還有少數認為30%蔗糖溶液快。通過實驗，學生發現滴加30%NaCl溶液的洋蔥表皮細胞只要幾秒鐘便迅速發生非常明顯的質壁分離現象，而滴加30%蔗糖溶液的洋蔥表皮細胞卻要反復滴、吸幾次，在約1-2分鐘后才能看到質壁分離。據此，教師繼續提問：兩種溶液質量濃度相同，為何質壁分離所用時間相差如此之大？學生通過激烈討論和閱讀課本，能夠答出：滲透壓是指溶質中微粒對水的吸引力。滲透壓大小取決于單位體積溶液中微粒的數目，溶質微粒越多，即溶質濃度越高，溶液滲透壓越高。教師進一步引導學生通過計算比較兩種溶液的微粒濃度：30%蔗糖溶液的微粒濃度約為5.28×10 23 個/升，30%NaCl溶液的微粒濃度約為6.18×10 24 個/升，后者是前者的11.7倍。教師還可簡單介紹范托夫公式（π=C B RT），讓學生更進一步明確在一定環境條件下，溶液的滲透壓只與溶液微粒濃度有關。

滲透作用實驗的專題復習中，教師通過計算強化了學生對于滲透壓的大小與微粒濃度有關而非與質量濃度相關的認知，加深了學生對滲透壓的理解，為在不同情境中利用滲透壓大小判斷膜兩側液體體積和濃度變化提供了堅實的基礎。

2 通過實驗發現問題并提出解決方案

學生通過實驗發現其中的不足之處，進而提出解決方案，能夠培養學生在真實情境中發現問題、提出問題和解決問題的能力，訓練學生的科學思維和科學探究能力。

在學生對滲透作用的原理有了深刻認識后，教師提供如圖1所示兩組裝置，并作簡要介紹：A、B兩燒杯中放置等量的已知濃度的蔗糖溶液，燒杯A中加入葉圓片后，根據蔗糖溶液濃度與葉圓片細胞液濃度間的關系，葉圓片細胞可能吸水、失水或既不失水也不吸水，從而引起A燒杯中蔗糖溶液的濃度發生改變，其密度也相應改變，再將A燒杯中液體滴入B燒杯蔗糖溶液內部，看滴入蔗糖溶液的沉浮情況可以判斷葉圓片細胞液濃度與已知蔗糖溶液濃度間的關系。通過配置系列濃度梯度的蔗糖溶液進行實驗可測出植物細胞液的濃度。結合圖示和介紹，學生初步掌握測量植物細胞液濃度的原理與方法，并進行實驗操作。

學生操作后發現：滴入B燒杯溶液中的液體不易觀察是上浮還是下沉。隨后學生分析：A、B中的液體都是無色的，不容易觀察到滴入B中液滴的沉浮情況，如果在A燒杯中加入少量色素，就容易觀察到滴入液滴的沉浮。但A燒杯中加入色素后其滲透壓會增加，增加的滲透壓如果較小可以忽略不計，如果較大則需要在B燒杯中加入一定量的蔗糖以平衡。教師提問：怎樣選擇合適的方法來觀察呢？學生討論形成方案：可配制一定濃度的亞甲基藍溶液，滴入清水中觀察液滴的浮沉情況，然后不斷稀釋和滴入，直到亞甲基藍顏色很淡為止。學生在教師的引導下繼續進行探究：首先配制1‰的亞甲基藍溶液，滴入清水中明顯下沉，稀釋十倍后下沉緩慢，再稀釋10倍后幾乎處于懸浮狀態，此時亞甲基藍溶液藍色仍可辨析。最后學生得出結論：探究植物細胞液濃度的最低蔗糖濃度一般設置在0.05 g/mL，0.0001 g/mL的亞甲基藍溶液濃度只占最低蔗糖濃度的1/500，可以忽略不計。

根據上述探究結果在A燒杯的蔗糖溶液中加入少量亞甲基藍使其濃度為0.0001 g/mL，發現無論蔗糖溶液的濃度設置是較高還是較低，A燒杯中的溶液滴入B燒杯后都沒有明顯的上浮或下沉，而是處于懸浮狀態，教師提問：這是什么原因呢？學生分析：滴入液滴沒有明顯的上浮或下沉說明兩燒杯中溶液的微粒濃度差異較小，葉圓片引起A燒杯中溶液濃度改變較小，原因可能是A燒杯中蔗糖溶液量太多或葉圓片數量太少，或者葉圓片與蔗糖溶液之間水分交換不充分，因此在增加葉圓片數量的同時減少蔗糖溶液的用量、延長葉圓片與蔗糖溶液之間的作用時間，應可以使A燒杯中的蔗糖溶液微粒濃度發生明顯改變。

學生改進實驗方案后繼續進行實驗操作，發現較低濃度蔗糖組的液滴進入B燒杯中后下沉較快，而較高濃度的蔗糖組則相反。但在操作較低濃度蔗糖組時又發現了新的問題：滴入B燒杯后液滴下沉，難以區分是A燒杯中蔗糖溶液濃度升高還是擠壓滴管時用力過猛造成的。據此，教師提問：應怎樣改進使其便于區分？在教師的引導下，學生繼續分析：滴管尖端垂直方向插入B燒杯液體中，導致密度較大的液滴進入后不論是因為密度大還是因為滴入初速度大都會下沉，如果改變滴管尖端的方向使其呈水平狀態即可解決。一次性滴管是塑料的，只要用酒精燈加熱將尖端以下部分扭轉90度即可。學生改進后再操作，順利解決問題。

本實驗設計是大學教材《植物生理學》中的“小液流法測量植物細胞液的濃度”，教師在該案例中不必介紹其名稱，只要學生掌握實驗的原理與方法，就可以對實驗過程中出現的問題進行分析并嘗試提出解決方案，通過這種不斷發現問題和解決問題的課堂實驗模式，使科學探究能力和科學思維的培養真正落地。

3 通過給定新裝置分析實驗的可行性

新的裝置意味著新的情境。學生對于滲透作用的本質是否真正理解并能遷移運用，利用新裝置可進行一定程度的檢驗。

教師先提供如圖2所示的實驗裝置，并告知學生分析天平的靈敏度非常高，測量質量可以精確到0.1 mg，葉片質量發生細微的變化都可以從分析天平的表盤上讀出，并提出“能否利用該裝置測定葉片細胞液的濃度”的問題。學生通過討論后一致認為可以測定。理由是當蔗糖溶液濃度大于葉片細胞液濃度時，葉片細胞失水，天平讀數變小，反之則天平讀數變大，如果兩者濃度相等則天平讀數不變。接著，教師鼓勵學生進行實踐。實驗后，學生發現燒杯中不論是高濃度的蔗糖溶液還是清水，天平的讀數都會變大。

學生隨即展開討論，最終發現：蔗糖溶液濃度較低時，葉片細胞吸水，天平讀數變大，這與實驗結果一致；當蔗糖溶液濃度較高時，葉片細胞失水并發生質壁分離，但分離后的細胞壁與原生質層之間的間隙又被高濃度的蔗糖溶液所充滿，蔗糖溶液的密度大于細胞失掉的水的密度，因此細胞的總質量仍然是增加的，所以天平讀數也應該是變大的。因此該裝置不能用來測定植物細胞液的濃度。

接著，教師提供如圖3所示的裝置，提問：能否利用該裝置測定植物細胞液的濃度？如果能請說出測定的原理。學生結合滲透作用原理和所學過的物理學知識分析得出：如果蔗糖溶液濃度高于葉圓片細胞液濃度則細胞失水，引起蔗糖溶液濃度（密度）變小，鐵塊所受浮力變小，天平讀數變大，反之天平讀數變小，兩者濃度相等時，天平讀數不變。因此可以利用該裝置測定細胞液的濃度，并且實驗操作后發現結果與分析完全一致。

圖2所示裝置對應問題的迷惑性強，學生分析易錯，但預測與結果間的沖突可以激發學生強烈的求知欲和學習興趣。圖3所示裝置不僅可以考查學生對于滲透作用知識的理解，而且還考查了一定的物理學知識，考察了學生綜合運用不同學科知識解決特定問題的能力。

實驗教學應通過不斷制造新情境讓學生產生認知沖突，激發學生產生強烈的求知欲而實現核心素養的不斷提升。在“滲透作用實驗”的專題復習中，教師通過計算加深了學生對滲透壓的理解，通過引導學生對原有實驗提出優化和利用給定新裝置分析實驗的可行性等手段，在實驗復習中夯實學生基礎，培養學生的科學探究能力和科學思維。

參考文獻：

中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：53.