渗透作用生物实验创新性改进及应用

［摘要］本文探讨“渗透作用”实验的创新改进，包括实验装置、实验材料、实验试剂等的创新改进，通过将教材实验插图设计成以学生为主导、以问题为导向的探究实验，培养学生的自主探究能力，并对实验的可行性和可推广性进行了总结分析。［关键词］高中生物学；浙科版；渗透作用；实验创新；探究应用高中生物学倡导探究性学习，引导学生主动参与探究过程，逐步培养学生搜集和处理科学信息、分析和解决问题、交流与合作等方面的能力，重视培养学生的批判性思维、创新精神和实践能力。“物质跨膜扩散”是浙科版高中生物学必修1“物质通过多种方式出入细胞”一节的教学内容，旨在让学生通过分析实验现象，认识半透膜及渗透作用，为学习“动植物细胞失水和吸水”打好基础。教材提供的实验插图大致可描述为在盛有清水的烧杯上用玻璃棒悬挂一个透析袋，透析袋中装有一定浓度的溶液，然后观察透析袋体积前后是否发生变化，同时留意透析袋内外颜色的变化。该实验设计简单、操作方便，但在实际操作中透析袋体积的变化不够明显，实验现象不易察觉，导致学生缺少直观体验，不利于培养学生的科学探究能力。因此，笔者尝试从实验装置、半透膜材料、试剂等角度对该实验进行了创新改进，改进后可在短时间内观察到明显的实验现象，并辅以可进行实际操作的探究实验，促进学生对本节重要概念的生成与内化。一、实验设计的目的性和科学性教材中渗透作用实验仅以插图的形式呈现，学生难以从中观察到明显的实验现象；采用透析袋充当半透膜，学生不明白透析袋与生物膜在功能上有什么等同性。于是，笔者改用鸡蛋卵壳膜来代替透析袋，鸡蛋卵壳膜通透性接近生物膜，实验效果显著。同时，笔者引导学生用中性笔的笔筒、橡皮筋等生活中的常见物品来组装渗透装置，用带有颜色的红糖水代替教材所用的淀粉溶液。在中性笔笔筒外用尺子画上刻度，就可以更方便地观察单位时间内液面上升的高度。红糖水中的蔗糖分子不能透过鸡蛋卵壳膜，无毒且有明显的深红色，易被观察。综上，笔者所做的一系列实验改进旨在提高学生的科學探究能力，实现培育学生学科核心素养的育人目标。二、实验设计的创新性1.实验装置的创新改进教材中提到的实验装置有烧杯、玻璃棒、透析袋，同时要求学生通过观察透析袋体积变化来认识渗透作用，而透析袋体积变化并不易被察觉。笔者采用生活中常见的笔筒（去掉两端，保留两端开口）、橡皮筋、烧杯等来改进实验装置。用橡皮筋将鸡蛋卵壳膜扎在笔筒有螺纹的一端；笔筒一端有螺纹更容易固定半透膜，而且笔筒的内径相对较小，笔筒内溶液体积轻微的变化就可以很快通过笔筒内液柱的上升反映出来，从而缩短实验时间，实验现象更为明显。在笔筒身上用尺子画刻度，学生便于准确读取单位时间内液面上升高度的实验数据。如此一来，本实验装置既可用来做定性实验，也可用来做定量实验，有助于学生透彻理解渗透作用的原理，为后续教学做好铺垫。2.实验材料的创新改进教材插图中采用透析袋充当半透膜，学生对透析袋相对陌生，透析袋不仅属于非生物，而且这种材料的通透性不强。在课前预实验中笔者发现，鸡蛋卵壳膜的通透性大于透析袋，并且鸡蛋卵壳膜接近生物膜，更容易让学生理解半透膜的特征。实验用鸡蛋卵壳膜的制作过程：挑选新鲜的大鸡蛋，打破，倒掉蛋黄和蛋清，把蛋壳用清水冲洗干净并保护卵壳膜的完整性；用镊子直接撕取卵壳膜，将完好的卵壳膜浸泡在清水中备用；注意每次撕取的卵壳膜面积不必过大，因为中性笔笔筒管径不大，保证够用就可以。教材实验中使用的是淀粉，需要染色剂碘液，碘液量控制不好会导致实验现象很难被观察清楚，因此改用红糖水来代替。红糖在生活中十分常见，这样笔筒管内的液柱颜色呈深红色，更利于实验现象的观察。笔者通过课前预实验发现，在一定范围内随着红糖溶液浓度的升高，渗透作用增强。当红糖溶液浓度从0.5g/mL增至0.6g/mL时，笔筒管内液柱上升高度逐渐减小，说明蔗糖溶液浓度过高，渗透作用减弱。因此，在选用鸡蛋卵壳膜做半透膜实验材料时，红糖溶液浓度控制在0.5g/mL-0.55g/mL，渗透效果更好。三、改进实验装置的应用1.“探究渗透作用发生的条件”实验本实验通过改进实验装置来探究渗透作用条件，促进学生对渗透作用概念的理解。实验材料：红糖（蔗糖）、清水、鸡蛋卵壳膜、保鲜膜（任何物质不透）、中性笔笔筒（若干支）、滴管、记号笔、烧杯、直尺等。实验步骤：取3支中性笔笔筒，并编号A、B、C；在A、C笔筒一端开口（有螺纹）处用皮筋扎好半透膜，B组一端开口处扎好保鲜膜；用滴管向A、B笔筒中加入等量的红糖水，用滴管向C组笔筒中加入等量的清水，用记号笔做好液面的初始位置标记，将三支笔筒封口一端放入装有水的烧杯中（烧杯中水位与笔筒内液面处持平），用铁架台尽量保持笔筒管内外液面平衡，如图1。放置2分钟后，做好液面变化后的位置标记；观察并分析实验现象，得出结论。实验结果如下：A组笔筒管内液面上升最快，B和C组笔筒管内液面没有上升。A组和B组对照说明了渗透作用的发生需要半透膜。A组和C组对照说明了当半透膜两侧溶液出现浓度差时，渗透作用就会发生，水从水分子数的相对高的一侧向相对低的一侧渗透，从而总结出渗透作用发生的两个条件：半透膜和浓度差。学生分析A组实验现象，思考以下问题：（1）A笔筒管内液面上升到什么时候停止，为什么？（2）笔筒管内液面停止上升时水分子有进出半透膜吗？假设桌面上有一杯水，水是静止的，但水分子呢？2.“探究鸡蛋卵壳膜是一种半透膜”实验改用蛋白质溶液、淀粉溶液和葡萄糖溶液作为实验试剂进行设计。实验步骤：取3支中性笔笔筒，并编号A、B、C；在A、B、C笔筒一端开口处用皮筋扎好半透膜；用滴管向A、B、C笔筒管中分别加入等量的蛋白质溶液、淀粉溶液和葡萄糖溶液，用记号笔做好液面的初始位置标记，将三支笔筒封口一端放入装有水的烧杯中（烧杯中水位与笔筒上的标记处持平），用铁架台尽量保持笔筒管内外液面平衡；放置10分钟后，做好液面变化后的位置标记，分别从三个烧杯中取出适量溶液，用双缩脲试剂、碘液和本尼迪特试剂进行颜色鉴定；观察并分析实验现象，得出结论。从实验结果可以看出，蛋白质和淀粉等大分子物质不能通过鸡蛋卵壳膜，而葡萄糖、水等小分子物质能通过鸡蛋卵壳膜，这证明鸡蛋卵壳膜是一种半透膜。3.类比迁移“探究植物细胞吸水和失水”实验利用改进的实验装置探索渗透作用的条件，然后引导学生以类比迁移的方式思考动植物细胞吸水、失水的原理和条件，找出物理渗透模型装置与植物细胞吸水、失水装置的相似性。圖2显示大液泡的体积几乎占到成熟植物细胞总体积的90%以上，植物细胞吸水和失水几乎都与液泡中的细胞液有关。若将植物细胞放在清水中，则会发现植物细胞相当于底部蒙有半透膜的盛放40%红糖溶液的笔筒管，原生质层相当于笔筒管底部的半透膜，细胞液相当于笔筒管内的溶液，清水相当于外界溶液。因此，将细胞膜、液泡膜及两层膜之间的细胞质称为原生质层，这就相当于半透膜。当植物细胞在一定浓度的溶液中发生了渗透吸水或失水，同时由于原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性，就会出现原生质层与细胞壁的分离，以及质壁分离后的复原。现将“探究植物细胞吸水和失水”实验科学探究的过程总结如下。第一步，提出问题：植物细胞吸水和失水的条件是什么？第二步，提出假设：当细胞液浓度低于外界溶液浓度时，细胞就会失水引起质壁分离；当外界溶液浓度低于细胞液浓度时，细胞就会吸水膨胀。第三步，实验设计：材料选择（植物细胞选材有什么要求）—自变量控制（外界溶液浓度应该怎么设置）—因变量控制（细胞发生失水或者吸水观察到的现象是什么）。第四步，实验验证：结合植物细胞的质壁分离及质壁分离复原现象的实验操作及演示视频，思考（1）在盖玻片下又是如何实现将高浓度蔗糖溶液换成清水的？（2）植物细胞质壁分离过程中，有水分子进入细胞吗？吸水能力会如何变化？（3）质壁分离复原很长一段时间后，当植物细胞停止膨胀时，细胞液浓度与外界浓度大小有怎样的变化？按照类比迁移的方法，以渗透装置和渗透现象发生的条件为参照点，学习植物细胞的吸水和失水，完成“植物细胞的原生质层是一层选择透过性膜”这一核心知识的建构。学生通过观察分析植物细胞质壁分离和复原的现象，获得细胞吸水、失水与外界溶液浓度关系的感性认识，进而深入理解“成熟的植物细胞是一个渗透系统”及“影响