妙用土豆破難點
——“細胞大小與物質運輸效率的關系”的模擬實驗

◆廣州市南武中學高一（10）班 呂雨萱

本期點評專家

張永強 正高級教師，湖南省十佳科技教師。科普中國2021 年十大科普人物獎獲得者，全國校園發明創意大賽、湖南省青少年科技創新大賽、湖南省創新編程與智能設計大賽、湖南省科學調查體驗活動評審專家組成員。

高一生物學必修1 第六章《細胞的生命歷程》中，為了讓同學們更好地理解細胞為什么不能無限長大，老師安排了“運用模型作解釋”這樣的一個思維訓練：用邊長分別為1 cm、2 cm 和3 cm 的正方體模擬三個大小不同的細胞，計算每個“細胞”的相對表面積值和葡萄糖酸鈣進入“細胞”后擴散的體積與整個“細胞”體積的比值，然后通過分析這兩組數據的關系，推導上述結論的合理性。然而，周圍的同學都表示在理解這個知識點時，或多或少有些吃力。

我留意到，煮熟或炒熟的土豆呈明顯的“半透明”狀態。通過網絡資料的查詢，我知道了其中的奧秘，原來這個現象叫淀粉的“糊化”。淀粉“糊化”這個生活現象能否運用到上述模型模擬實驗中，幫助同學們突破學習難點呢？

帶著這樣的想法，我迫不及待地展開了探究，在自家廚房進行實驗。

一、實驗步驟

（一）將三個土豆分別切成邊長2 cm、2.5 cm、3 cm 的正方體塊。

（二）往鍋中加水，加熱直至沸騰。

（三）將三個正方體土豆塊同時放入鍋中加熱2 min，保證它們同時被水浸沒。

（四）同時取出三個土豆塊，晾涼后將其分別切開，它們的剖面如圖3。我們可以清晰地看到，土豆塊中淀粉遇熱、遇水后的“糊化”現象，并且“糊化”的“透明”部分和未“糊化”的“不透明”部分有著清晰的界限，便于進行后續的數據測量。

圖1 將土豆切塊

圖2 加熱土豆塊

圖3 出現“糊化”現象的土豆塊

（五）用刻度尺測量三個土豆塊變“透明”部分的深度，

作者有話說：

土豆去皮后暴露在空氣里很快會被氧化。我在進行第一次實驗操作時，由于切土豆經驗不足導致材料制備時間過長，切開的土豆被氧化的痕跡明顯，對后續的實驗結果有較大的影響。經過多次嘗試，我終于探究出能使該實驗效果最佳的土豆塊的邊長長度和加熱的時長。并計算呈“透明狀”體積與土豆塊總體積的百分比。如表1。

表1 三個土豆塊呈“透明狀”體積與土豆塊總體積的比組

作者有話說：

實驗中土豆塊的邊長是自變量，土豆“透明”部分與總體積的比值是因變量。加熱時長、加熱溫度、土豆浸入水中的深度是無關變量。用同一個鍋加熱、把三個土豆塊同時放入鍋中和加足夠多的水使土豆塊完全浸沒等操作，均體現了對于無關變量的控制。

二、結果與結論

觀察實實在在的實驗現象，再來對比表1 中的實驗數據，發現本來“冰冷嚴肅”的實驗數據立馬變得“鮮活生動”了，晦澀難懂的實驗理論也變得簡單明了：“透明”體積與總體積的比值代表細胞的“物質運輸效率”，非常直觀。

細胞的體積越大，相對表面積則越小，物質運輸的效率也越低。怪不得書本上讓我們分析“相對表面積”和“物質擴散體積/總體積”這兩組數據的關系呢。這一刻，我恍然大悟！

三、實驗優點

（一）材料易得，操作簡便，在自家廚房就能開展實驗，而且操作過程無需添加其他的化學試劑。

（二）現象明顯，能清楚地看到淀粉“糊化”與未“糊化”之間的界限，對后續的測量和分析都很有利。（指導老師：尚莉萍）

作者有話說：

原來，細胞不能無限長大的主要原因是：細胞體積越大，需要的營養物質越多，需排出的代謝廢物也越多，物質通過細胞膜的運輸速度有限，如果細胞表面積與體積的比值過小，則物質通過細胞膜的輸入和輸出會遇到困難，造成細胞膜“不堪重負”。此外，細胞不能無限長大的原因和細胞核對細胞的控制能力有很大的關聯度。

專家點評

該實驗通過觀察土豆塊在加熱后的淀粉“糊化”現象，巧妙地展示了細胞體積與表面積的關系。這種創新的實驗方法將復雜的生物學原理簡單化，更易于理解。

實驗材料選擇得當，步驟清晰，符合科學實驗的基本要求。實驗者選用土豆作為實驗對象，其內部淀粉含量高，加熱后“糊化”現象明顯，便于觀察。通過加熱不同尺寸的土豆塊，能更直觀地展示細胞大小的效應。實驗結果清晰，與結論相符。實驗操作簡單明了，通過加熱土豆塊，可以觀察到淀粉“糊化”的過程。對“透明”部分和未“糊化”部分界限的觀察也十分清晰，這有助于后續的數據測量和計算。

為進一步提高實驗的準確性，建議：盡量選擇形狀規則、淀粉含量相近的土豆作為實驗材料；可嘗試使用體視顯微鏡來觀察淀粉“糊化”的過程，以更精確地測量“透明”部分和未“糊化”部分的界限。