教学设计与案例.doc

三、教学设计与案例薛窑中学 杨勇探究细胞表面积与体积关系的模拟实验模拟实验的地位、价值 生物学实验中，常常有些实验现象不明显或不易操作，为了解决这一矛盾，我们可以在实验室进行一些模拟，这不仅可以激发学生探索生物奥秘的浓厚兴趣，加深对有关知识的理解，还可以开拓学生的视野，让学生掌握一种研究生物学的新方法，尝试用这一方法来解决一些生物学问题。 其实模拟对我们来说并不陌生，老教材中已有多处体现。例如：制作DNA双螺旋结构、模拟一对相对性状遗传的性状分离比、小生态瓶的制作，只不过没有引起我们足够的重视。这种方法在新教材中重新出现，强调了它的存在价值。当然，模拟毕竟是模拟，与真实情况有差异，不应对其吹毛求疵。课题分析 1教学目标 (1)描述细胞表面积与体积的比例关系。 (2)分析得出表面积与体积之比较大者，其细胞代谢效率较高。 (3)通过模拟实验，体验细胞必须要保持一定的体积，并认同细胞生长到一定大小后停止生长，细胞进入分裂增殖。 2背景描述 细胞生命活动中与外界环境的物质交换如吸收养分和排除废物，都是通过细胞表面的细胞膜来进行。随着细胞的长大，细胞体积增大，内含物增多，用于物质交换的表面积便显得不够用。假设细胞是一个半径为1 btm的球形，则这个球形细胞的体积为y43r34.1/cm3，表面积S4r212.5cm2，表面积与体积的比为3:1，若细胞长大至为原半径4倍的球状，这时细胞体积为268cm3，表面积为200.8cm2，也就是说，体积增至64倍，表面积才增至16倍，表面积与体积之比为0.7:1如下图。显然，单位体积细胞内含物所分摊到的表面积缩小了许多。其结果会是表面积不足以供物质的进出，成为细胞代谢的限制因素，细胞代谢速率将因此而明显下降。作为解决的办法，细胞一分为二。仍继续上面的例子，268m3球体积，一分为二，则得到两个球体积为134m3的球，每个球的表面积为401m2，表面积与体积之比值骤增至3：1。单位体积分摊到的表面积增大，细胞的代谢速率必将大增。 由此可见，细胞生长到一定程度，将停止生长，转而进行细胞的分裂。一方面解决细胞生长带来表面积与体积之比值下降带来的困境，又是细胞繁衍的方式。 本实验原理是用琼脂块(内含酚酞试液)模拟细胞，用NaOH溶液模拟被细胞吸收的物质。因NaOH溶液遇酚酞试液变粉红色，我们可以通过观察琼脂块“细胞”变成粉红色的过程，了解到NaOH分子扩散进入了“细胞”。再通过测量NaOH扩散进入琼脂块“细胞”的深度，比较不同体积的琼脂块“细胞”吸收分子的速度。从而来预测表面积与体积比值与细胞代谢的关系。材料器具 1材料和试剂：3 cm 3 cm6 cm的含酚酞的琼脂块，150 mL 0.1NaOH溶液。 2器具：防护手套，塑料餐刀，纸巾，250 mL烧杯，毫米刻度尺和塑料匙。教学建议 本实验用细胞模型说明细胞的表面积与其体积的关系。学生观察的是NaOH溶液扩散进入琼脂块“细胞”，并将此“细胞”变成粉红色的过程。每组两位学生最好。 教学前应让学生明确细胞模型模拟的原理，即琼脂块模拟“细胞”，NaOH溶液模拟的是扩散进入细胞的物质。探究的是细胞表面积与体积的关系。同时学生还应明确酚酞试液是碱性溶液的指示剂，两者反应呈粉红色。 实验时为了切取方便，我们可将琼脂块切成立方体，替代圆形。立方体的表面积边长边长6，立方体的体积边长边长边长。因为细胞体积一般在2030m3，所以在数据处理上增加一边长为0.01 cm琼脂块的表面积和体积的计算，但具体实验操作就不要求了。 为了保证实验的严谨性，在放有琼脂块的三个烧杯内同时加入等量的NaOH溶液，在相同的“扩散”时间后，将琼脂块一齐取出。颜色变化的观察与面积和体积的计算可同时进行。 NaOH属于强碱溶液，有一定的刺激性和腐蚀性，应避免与皮肤和眼睛接触，不能人口。学生应戴上防护手套取琼脂块，因琼脂块曾放在盛有NaOH烧杯中的缘故。这是实验中务必要注意提醒学生。如万一泼洒出来，立即用水冲洗泼洒处15 min。 本实验最后要引导学生认同细胞表面积和体积比不能过小，否则会因表面积的限制导致细胞代谢速率下降，这对细胞的生存是不利的。所以当细胞长到一定大时，便不再长大，进而一分为二，为细胞快速代谢创造条件。因此本实验重点是对不同表面积和体积比的细胞模型进行预测和假设，这也是科学研究中关键性的技巧。实验难点的突破点放在对实验数据的分析和归纳上。探究活动 步骤一：用塑料刀将琼脂块切成三块边长分别为3 cm、2 cm和l cm的立方体。 步骤二：把三块琼脂块放在烧杯内，加人0.1NaOH溶液将琼脂块淹没。用塑料匙不时翻动琼脂块10min。 步骤三：画出如下表，进行必要的计算，将表面积、体积和比值三栏填满。并请简化数据，避免小数点后面位数过于庞大。比值指表面积与体积之比。琼脂块的大小表面积cm2体积cm3比值NaOH扩散深度cm3 cm2 cm1 cm0.01 cm 步骤四：10min后戴上手套，用塑料匙把琼脂块从NaOH溶液中取出来。用纸巾把它们吸干，未干之前不要接触它们。用塑料刀把每一琼脂块切成两半。观察切面，记录观察结果。测量每一块上NaOH扩散的深度。填入上表。分析讨论 1根据琼脂块表面积与体积比值的计算及琼脂块变色深度的测量，你能预测到什么? 提示：当NaOH与琼脂相遇时，其中的酚酞变成粉红色，因此，从颜色的变化就知道NaOH扩散得有多远。在一定时间内，NaOH在琼脂块的每一侧扩散的距离大致相同。说明NaOH在琼脂块内扩散的速率大致相等。琼脂块从最大到最小的顺序为：3 cm、2 cm、1 cm。按表面积与体积比值的顺序从最大到最小则为琼脂块1 cm(6:1)、2 cm(3:1)、3 cm(2:1)。顺序恰好倒过来了。若每边为0.01 cm，则表面积与体积之比为600:1。随着细胞体积的增大，表面积与体积的比值就下降，单位体积内分配到的表面积越来越小。这对细胞代谢是不利的。因为细胞生命活动与外界环境的物质交换如吸收、排泄、分泌及扩散等，都是通过细胞表面的细胞膜进行的。我们可以预测细胞表面积与体积之比增大会使细胞代谢效率提高。细胞体积一味增大对细胞生存不利。 (1)大多数细胞和微生物边长不到0.01 cm。扩散速率与细胞大小之间的关系是什么？ 提示：扩散速率不变，但由于细胞很小，扩散发生得很快。 (2)有什么证据说明NaOH在每一琼脂块内扩散的速率大致相等? 提示：在一定时间内，NaOH在琼脂块的每侧扩散的距离大致相当，说明扩散速率大致相等。小的琼脂块变成粉红色较快，不是因为扩散速率大，而是琼脂块体积小。 2大多数高等动植物细胞的体积一般在2030m3之间，根据本实验细胞模型的探究，你能分析细胞为什么如此微小? 简析：细胞如此之小，不用显微镜难以看到。研究微观问题的方法之一是建立模型。模型常常是某一大事物的小复制品。 细胞通过细胞表面的细胞膜与外界进行物质交换。随着细胞体积的变大，更多的细胞质就会远离细胞膜。分子进入细胞后，通过细胞质的不断流动被带到目的地，这与海洋里的水流对船的作用机制是一致的。但如果细胞很大，为了把物质带到细胞的各个部位，细胞质需要流动的距离远了，物质达到细胞中心的时间就相应变长。同时，排出废物需要的时间也相应增加细胞长得太大将不利于其更好地生存。所以当细胞长到一定大小时，就会分裂成两个新的细胞。生物体的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的大小无关，这就是“细胞体积的守恒定律”。 (1)请提出一个假说来解释：为什么大的生物体是由许多细胞而不是由比较大的细胞发展起来的? 提示：一方面，小的细胞单位体积内表面积较大，细胞代谢率高。另一方面，尽管扩散作用可以给细胞提供必需的物质，并且有助于运出废物，但物质的长距离扩散需很多时间。所以细胞要正常起作用就不能太大。总之，小的细胞能使大的生物体的扩散作用与主动转运之间保持有效的平衡。 (2)依据本实验，你认为细胞生长到一定程度时，为保证细胞代谢需要，最好的解决办法是( ) A不再生长 B死亡 C分裂 D消失 提示：选项B与D都不能维持细胞的代谢活动。而选项A中细胞的代谢速率已减慢，也不符合题意。因此最好的解决办法是选项C分裂。细胞一分为二，使细胞表面积和体积比值增加。 (3)卵细胞的体积一般比较大，如鸵鸟卵黄直径可达5 cm。这是否违背了“细胞体积的守恒定律”? 提示：卵细胞是一种特殊类型的细胞，因为它含有许多供胚胎发育使用的营养物质卵黄，而使细胞的体积增大了许多倍。但卵细胞一般与外界交换物质较少，故表面积与体积的比例关系不受此规律的限制。深化拓展 拓展1：这些细胞在于什么? 提示：在要用的载玻片上事先涂上亚甲基蓝溶液并晾干。用滴管从酵母菌培养液中吸一些酵母菌细胞，滴在载玻片上。然后盖上盖玻片，并放在显微镜下观察。 先用低倍镜仔细观察视野中的细胞，然后换用高倍镜。寻找到两个相互连在一起的细胞，其中一个可能比另一个要大一些。画下你所看到的物像。 仔细观察图，请你构想假说：这两个连着的细胞正在干什么? 提出一个假说来解释这种现象。 拓展2：细胞的核与质之间有一定的比例关系 提示：不论细胞体积大小相差多大，但各种细胞核的大小悬殊却不大。因为一个细胞核内所含的遗传信息量是有一定限度的，能控制细胞质的活动也是有限度的，因此一个核能控制细胞质的量也有一定限度，细胞质的体积不能无限增大。在体积较大的原生动物细胞中出现大核(营养核)与小核(生殖核)的分工，动物细胞的多核现象是否与缓冲核质比例有关呢?值得探讨。本实验可采用观察人工培养的变形虫在分裂时的变化情况进行分析当人工培养的变形虫快要分裂时，把它的细胞质切去一块，这个变形虫就不再分裂。等它长大到又要分裂时，又切去一块，它也不再分裂。但如果让其继续生长，体积达到一定大小时，它又会分裂起来。说明在没有任何环境阻力的情况下，细胞不会无限长大。细胞要维持细胞核与细胞质体积之间的平衡状态。资料搜索 1生物体各种细胞的体积差别很大（韩贻仁 分子细胞生物学 北京：科学出版社，2001） 大的如鸵鸟卵黄直径可达5 cm。最小的支原体只有o1m。一般说来，真核细胞的体积要大于原核细胞，高等动物的卵细胞大于体细胞。但卵细胞是一种特殊类型的细胞，因为它含有许多供胚胎发育使用的营养物质卵黄，而使细胞的体积增大了许多倍。对大多数高等动物、植物的细胞来说，其体积一般在20一30 m3之间。多细胞有机体的细胞的大小同生物体的大小无关。细胞体积的最小极限决定于细胞独立生活所需的最基本的成分的体积。根据推算支原体接近于容纳所必需的大分子的最小体积极限。细胞要进行生命活动，体积也不能过大，在真核细胞中，细胞核和细胞质的比例有一定的关系；细胞的体积要适于同外界进行物质交换，这些因素都决定了细胞要保持一定的体积大小。下表列出几种细胞的大小。名称人卵变形虫海胆卵肝细胞红血细胞伤寒菌流感菌肺炎球菌大小/m120100702072.40.50.50.20.10.2 2细胞的大小及其分析（翟中和 细胞生物学 北京：高等教育出版社，1995）分析高等动植物细胞的大小，可以发现这样的规律，不论其种的差异多大，同一器官与组织的细胞的大小更是在一个恒定的范围之内。大象与小鼠的体型大小相差十分悬殊，但大象与小鼠相应器官与组织的细胞大小却无明显差异，不仅相应的体细胞大小相似，性细胞的大小也无明显的差异。因此，器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，这种关系有人称之为“细胞体积守恒定律”。我们认为细胞体积的守恒定律可以与细胞是生命活动基本单位的概念联系起来理解。 细胞最大体积的极限与什么因素有关?我们认为有三个方面：第一，细胞的相对表面积与体积的关系。细胞的体积与相对表面积成反比关系：细胞体积越大，其相对表面积就越小，细胞与周围环境交换物质的能力就越小。有些细胞为了增加表面积，就形成很多的突起。第二，细胞的核与质之间有一定的比例关系。一种较为普遍的现象，不论细胞体积大小相差多大，但各种细胞核的大小悬殊不大。第三，细胞内物质的交流与细胞体积的关系。细胞内的物质从一端向另一端运输或扩散是有时间与空间关系的，假如细胞的体积很大，势必影响物质传递与交流的速度，细胞内部的生命活动就不能灵敏地调控与缓冲。有一些原生动物细胞的伸缩泡可能起着细胞内环境的调节作用。 由于上述种种因素的影响，细胞作为生命活动的基本单位，其体积必然要适应其代谢活动的要求，应有一定的限度，因此数百微米直径的细胞应被认为是上限了。卵细胞之所以不受此限制，因为早期胚胎发育是受储存在卵细胞质内的mRNA与功能蛋白