『滲透作用』生物實驗創新性改進及應用

汪志偉

［摘要］ 本文探討“滲透作用”實驗的創新改進，包括實驗裝置、實驗材料、實驗試劑等的創新改進，通過將教材實驗插圖設計成以學生為主導、以問題為導向的探究實驗，培養學生的自主探究能力，并對實驗的可行性和可推廣性進行了總結分析。

［關鍵詞］ 高中生物學；浙科版；滲透作用；實驗創新；探究應用

高中生物學倡導探究性學習，引導學生主動參與探究過程，逐步培養學生搜集和處理科學信息、分析和解決問題、交流與合作等方面的能力，重視培養學生的批判性思維、創新精神和實踐能力。“物質跨膜擴散”是浙科版高中生物學必修1“物質通過多種方式出入細胞”一節的教學內容，旨在讓學生通過分析實驗現象，認識半透膜及滲透作用，為學習“動植物細胞失水和吸水”打好基礎。教材提供的實驗插圖大致可描述為在盛有清水的燒杯上用玻璃棒懸掛一個透析袋，透析袋中裝有一定濃度的溶液，然后觀察透析袋體積前后是否發生變化，同時留意透析袋內外顏色的變化。該實驗設計簡單、操作方便，但在實際操作中透析袋體積的變化不夠明顯，實驗現象不易察覺，導致學生缺少直觀體驗，不利于培養學生的科學探究能力。因此，筆者嘗試從實驗裝置、半透膜材料、試劑等角度對該實驗進行了創新改進，改進后可在短時間內觀察到明顯的實驗現象，并輔以可進行實際操作的探究實驗，促進學生對本節重要概念的生成與內化。

一、實驗設計的目的性和科學性

教材中滲透作用實驗僅以插圖的形式呈現，學生難以從中觀察到明顯的實驗現象；采用透析袋充當半透膜，學生不明白透析袋與生物膜在功能上有什么等同性。于是，筆者改用雞蛋卵殼膜來代替透析袋，雞蛋卵殼膜通透性接近生物膜，實驗效果顯著。同時，筆者引導學生用中性筆的筆筒、橡皮筋等生活中的常見物品來組裝滲透裝置，用帶有顏色的紅糖水代替教材所用的淀粉溶液。在中性筆筆筒外用尺子畫上刻度，就可以更方便地觀察單位時間內液面上升的高度。紅糖水中的蔗糖分子不能透過雞蛋卵殼膜，無毒且有明顯的深紅色，易被觀察。綜上，筆者所做的一系列實驗改進旨在提高學生的科學探究能力，實現培育學生學科核心素養的育人目標。

二、實驗設計的創新性

1.實驗裝置的創新改進

教材中提到的實驗裝置有燒杯、玻璃棒、透析袋，同時要求學生通過觀察透析袋體積變化來認識滲透作用，而透析袋體積變化并不易被察覺。筆者采用生活中常見的筆筒（去掉兩端，保留兩端開口）、橡皮筋、燒杯等來改進實驗裝置。用橡皮筋將雞蛋卵殼膜扎在筆筒有螺紋的一端；筆筒一端有螺紋更容易固定半透膜，而且筆筒的內徑相對較小，筆筒內溶液體積輕微的變化就可以很快通過筆筒內液柱的上升反映出來，從而縮短實驗時間，實驗現象更為明顯。在筆筒身上用尺子畫刻度，學生便于準確讀取單位時間內液面上升高度的實驗數據。如此一來，本實驗裝置既可用來做定性實驗，也可用來做定量實驗，有助于學生透徹理解滲透作用的原理，為后續教學做好鋪墊。

2.實驗材料的創新改進

教材插圖中采用透析袋充當半透膜，學生對透析袋相對陌生，透析袋不僅屬于非生物，而且這種材料的通透性不強。在課前預實驗中筆者發現，雞蛋卵殼膜的通透性大于透析袋，并且雞蛋卵殼膜接近生物膜，更容易讓學生理解半透膜的特征。實驗用雞蛋卵殼膜的制作過程：挑選新鮮的大雞蛋，打破，倒掉蛋黃和蛋清，把蛋殼用清水沖洗干凈并保護卵殼膜的完整性；用鑷子直接撕取卵殼膜，將完好的卵殼膜浸泡在清水中備用；注意每次撕取的卵殼膜面積不必過大，因為中性筆筆筒管徑不大，保證夠用就可以。

教材實驗中使用的是淀粉，需要染色劑碘液，碘液量控制不好會導致實驗現象很難被觀察清楚，因此改用紅糖水來代替。紅糖在生活中十分常見，這樣筆筒管內的液柱顏色呈深紅色，更利于實驗現象的觀察。筆者通過課前預實驗發現，在一定范圍內隨著紅糖溶液濃度的升高，滲透作用增強。當紅糖溶液濃度從0.5g/mL增至 0.6g/mL時，筆筒管內液柱上升高度逐漸減小，說明蔗糖溶液濃度過高，滲透作用減弱。因此，在選用雞蛋卵殼膜做半透膜實驗材料時，紅糖溶液濃度控制在0.5g/mL-0.55g/mL，滲透效果更好。

三、改進實驗裝置的應用

1.“探究滲透作用發生的條件”實驗

本實驗通過改進實驗裝置來探究滲透作用條件，促進學生對滲透作用概念的理解。實驗材料：紅糖（蔗糖）、清水、雞蛋卵殼膜、保鮮膜（任何物質不透）、中性筆筆筒（若干支）、滴管、記號筆、燒杯、直尺等。

實驗步驟：取3支中性筆筆筒，并編號A、B、C；在

A、C筆筒一端開口（有螺紋）處用皮筋扎好半透膜，B組一端開口處扎好保鮮膜；用滴管向A、B筆筒中加入等量的紅糖水，用滴管向C組筆筒中加入等量的清水，用記號筆做好液面的初始位置標記，將三支筆筒封口一端放入裝有水的燒杯中（燒杯中水位與筆筒內液面處持平），用鐵架臺盡量保持筆筒管內外液面平衡，如圖1。放置2分鐘后，做好液面變化后的位置標記；觀察并分析實驗現象，得出結論。

實驗結果如下：A組筆筒管內液面上升最快，B和C組筆筒管內液面沒有上升。A組和B組對照說明了滲透作用的發生需要半透膜。A組和C組對照說明了當半透膜兩側溶液出現濃度差時，滲透作用就會發生，水從水分子數的相對高的一側向相對低的一側滲透，從而總結出滲透作用發生的兩個條件：半透膜和濃度差。

學生分析A組實驗現象，思考以下問題：（1）A筆筒管內液面上升到什么時候停止，為什么？（2）筆筒管內液面停止上升時水分子有進出半透膜嗎？假設桌面上有一杯水，水是靜止的，但水分子呢？

2.“探究雞蛋卵殼膜是一種半透膜”實驗

改用蛋白質溶液、淀粉溶液和葡萄糖溶液作為實驗試劑進行設計。實驗步驟：取3支中性筆筆筒，并編號A、B、C；在A、B、C筆筒一端開口處用皮筋扎好半透膜；用滴管向A、B、C筆筒管中分別加入等量的蛋白質溶液、淀粉溶液和葡萄糖溶液，用記號筆做好液面的初始位置標記，將三支筆筒封口一端放入裝有水的燒杯中（燒杯中水位與筆筒上的標記處持平），用鐵架臺盡量保持筆筒管內外液面平衡；放置10分鐘后，做好液面變化后的位置標記，分別從三個燒杯中取出適量溶液，用雙縮脲試劑、碘液和本尼迪特試劑進行顏色鑒定；觀察并分析實驗現象，得出結論。

從實驗結果可以看出，蛋白質和淀粉等大分子物質不能通過雞蛋卵殼膜，而葡萄糖、水等小分子物質能通過雞蛋卵殼膜，這證明雞蛋卵殼膜是一種半透膜。

3.類比遷移“探究植物細胞吸水和失水”實驗

利用改進的實驗裝置探索滲透作用的條件，然后引導學生以類比遷移的方式思考動植物細胞吸水、失水的原理和條件，找出物理滲透模型裝置與植物細胞吸水、失水裝置的相似性。圖2顯示大液泡的體積幾乎占到成熟植物細胞總體積的90%以上，植物細胞吸水和失水幾乎都與液泡中的細胞液有關。若將植物細胞放在清水中，則會發現植物細胞相當于底部蒙有半透膜的盛放40%紅糖溶液的筆筒管，原生質層相當于筆筒管底部的半透膜，細胞液相當于筆筒管內的溶液，清水相當于外界溶液。因此，將細胞膜、液泡膜及兩層膜之間的細胞質稱為原生質層，這就相當于半透膜。當植物細胞在一定濃度的溶液中發生了滲透吸水或失水，同時由于原生質層的伸縮性大于細胞壁的伸縮性，就會出現原生質層與細胞壁的分離，以及質壁分離后的復原。

現將“探究植物細胞吸水和失水”實驗科學探究的過程總結如下。第一步，提出問題：植物細胞吸水和失水的條件是什么？第二步，提出假設：當細胞液濃度低于外界溶液濃度時，細胞就會失水引起質壁分離；當外界溶液濃度低于細胞液濃度時，細胞就會吸水膨脹。第三步，實驗設計：材料選擇（植物細胞選材有什么要求）—自變量控制（外界溶液濃度應該怎么設置）—因變量控制（細胞發生失水或者吸水觀察到的現象是什么）。第四步，實驗驗證：結合植物細胞的質壁分離及質壁分離復原現象的實驗操作及演示視頻，思考（1）在

蓋玻片下又是如何實現將高濃度蔗糖溶液換成清水的？（2）植物細胞質壁分離過程中，有水分子進入細胞嗎？吸水能力會如何變化？（3）質壁分離復原很長一段時間后，當植物細胞停止膨脹時，細胞液濃度與外界濃度大小有怎樣的變化？

按照類比遷移的方法，以滲透裝置和滲透現象發生的條件為參照點，學習植物細胞的吸水和失水，完成“植物細胞的原生質層是一層選擇透過性膜”這一核心知識的建構。學生通過觀察分析植物細胞質壁分離和復原的現象，獲得細胞吸水、失水與外界溶液濃度關系的感性認識，進而深入理解“成熟的植物細胞是一個滲透系統”及“影響細胞滲透吸水失水的內外條件”。

綜上所述，改進后的實驗裝置有助于學生在較短的時間內觀察到明顯的實驗現象，操作簡便，實驗所需儀器多為生活中常見的物品，具有易操作性。改進后的實驗操作簡單，實驗現象直觀，有助于學生深入理解滲透作用的原理，為接下來學習動植物細胞失水和吸水原理奠定基礎。同時，學生在實驗中能夠發揮主觀能動性，培養實事求是的科學態度，提高自主探究能力。