无机盐相关重要概念的探究性实验教学设计

杨 其 朱 颖 杨艳华 王志坚 霍 静

(西南大学生命科学学院 重庆 400715)

无机盐含量较少，却在物质代谢和维持正常的生命活动中，发挥着非常重要的作用。例如，铁盐是细胞色素氧化酶等许多酶类的组成成分，也是合成叶绿素所必需的无机盐；而磷酸盐是植物核酸和细胞膜的主要成分，参与ATP的合成[1]。因此，“无机盐”也成为中学阶段学生必须掌握的生物学重要概念[2]。但无机盐的作用仅通过阅读资料或描述科学事实来“记忆”，学生较难真正地掌握和应用。

国外教材中常利用绿色植物作为培养对象，来认识不同种类无机盐的作用[3]，在缺少某一种元素的培养条件下(简称“缺素”)，观察植物生长情况的变化，来确定该元素的具体作用。但绿色植物从开始“缺素培养”到能观察到实验结果，整个实验周期较长。而且绿色植物的物质代谢补偿机制复杂，有时从外观上又很难观察或分辨“缺素培养”的相应症状，导致学生在动手实验后，不能顺利地获得相关的结论。

本文在通过实践研究后，找到一种生长周期较快的实验材料——单细胞绿藻，这些水培中的藻类增殖周期短，对无机盐的作用敏感。学生可通过实验，将水培中获得的藻类用于“缺素培养”，在较短的时间内观察到无机盐对生物生长的影响，从而获得与无机盐相关的生物学概念。

1 水培藻类的收集

用水培完全营养液培育根系发达的植物(如西瓜幼苗)，在适宜温度的条件下水培几天后，培养液变为绿色时，即可收集实验用的藻类。经镜检，本研究所获得的水培液中藻类为单细胞绿藻，主要有月形藻、小球藻等。

每个实验组均各取2 mL绿藻培养液，4000 r/min离心10 min，弃上清液，收集到的绿藻沉淀备用。

2 与无机盐相关概念的探究性实验设计

2.1 铁盐对单细胞绿藻生长的影响 取2份制备好的绿藻沉淀，分别接种于完全营养液(A组)和缺铁营养液(B组)中。室内培养7 d后，观察到A组的水体比B组更绿。镜检后发现2组水体中，A组绿藻数量更多，绿藻细胞颜色更深；而B组绿藻数量较少，其中藻体颜色较浅，甚至呈透明状。

接着，将B组绿藻混匀后等分为B1、B2两组，在B1中添加适量的螯合铁溶液，B2组继续用缺铁培养基培养。继续培养9 d后，镜检观察到，B1、B2组绿藻细胞体积膨胀；B1组绿藻细胞缓慢恢复生长，细胞呈深绿色；B2组绿藻细胞结构仍然呈空泡状，颜色较浅。

2.2 磷酸盐对单细胞绿藻生长的影响 取两份备用的绿藻沉淀，分别用完全营养液(C组)和缺磷营养液(D组)培养。在第8 d，可观察到D组中培养液的颜色明显较C组颜色浅。另外，D组培养瓶中沉淀也多于C组。镜检后发现D组绿藻数量少于C组绿藻数量，而且D组中的沉淀均为死亡绿藻的细胞凝聚团。

随后，混匀D组的绿藻，等分为D1、D22份，D1补充适量磷酸二氢钾溶液，D2继续用原缺磷酸盐培养基培养。当培养到第18 d，可发现未补充磷酸盐的D2组培养瓶中的绿色比D1组更浅；镜检观察到D2组培养液中绿藻浓度低于D1组藻体浓度，而补充磷的D1组绿藻数量增多，说明D1组的藻类开始恢复生长和增殖。

2.3 获得与无机盐相关的概念 通过“铁盐对单细胞绿藻生长的影响”的实验，学生观察到“铁盐对绿藻细胞结构的影响，并且在重新补充铁盐后绿藻”的生长有所恢复的实验结果，能总结出铁盐在叶绿素合成中的作用。由于缺铁严重影响到了细胞的生命活动，所以即使后期补充铁盐继续培养，细胞的形状还是受到一定的影响。这样，可让学生理解“无机盐(或铁盐)是细胞必不可少的营养成分”的概念。

在“磷酸盐对单细胞绿藻生长的影响”实验中，学生观察到缺磷的培养组绿藻数量少，死亡数目多，就能理解“磷酸盐在生物生长、增殖过程中的重要作用”。在补充适量磷酸盐的培养液中继续培养，绿藻数量又逐渐增多的实验事实中，进一步明白“无机盐(或磷酸盐)在细胞的物质代谢和维持正常生命活动中的重要作用”。

3 反思与建议

3.1 不断实践是发现实验新材料的基础 在设计与“无机盐作用”相关的实验时，最先使用过空心菜幼嫩茎尖和西瓜幼苗等，但发现空心菜在缺铁的水培过程中，实验组与对照组没有观察到明显的差异，这与查阅的文献资料不太相符[1]；在进行西瓜幼苗实验时，西瓜种子萌发至长出第一片真叶的时间约为28 d，缺铁实验组中的西瓜幼苗在培养5 d后，均出现细菌感染，难以用于后续研究。但是，无论是空心菜还是西瓜苗的水培液，都极易爆发藻类，即便是反复用蒸馏水冲洗植物根部，也不能避免水培过程中藻类的爆发。为了避免藻类对空心菜或者西瓜幼苗生长的影响，在温度较高的夏季，实验过程中不得不每隔几天更换一次培养液。每次更换营养液，继续培养2～3 d，均发现完全营养液变绿，而缺素营养液中也有变绿的迹象。

藻类在自然界中分布极广，具有生长快，光合效率高的特点，是水生生态系统中最主要的生产者，是水生食物链的基础。藻类对周围环境的变化敏感，现已被人们应用于水质指示、水质净化方面[4]。经过实践之后，发现藻类是中学实验教学的好材料。反复实践不仅有助于学生认识概念，也对教师改进实验设计具有非常重要的作用。

3.2 实验是学习科学知识最重要的法宝 科学是基于证据而构建的对自然现象的解释。一种有效的科学教育方式即通过指导学生利用实验收集证据，将概念和实验有机结合。例如，“无机盐”这一抽象概念的教学，结合 “单细胞藻类在不同营养条件下的生长情况”实验，观察其形态、数目的变化，再通过补充缺少的无机盐，观察藻类生长的变化。学生在分析实验结果时，就能主动获得科学概念，在描述出缺乏某种无机盐，而导致相应的缺素症状等科学事实外，为进一步认识必需元素奠定基础。

利用藻类代替绿色植物进行“缺素实验”，能在较短时间内，花费较少的精力和实验药品，达到理想的实验效果，提高学生的学习兴趣，帮助学生掌握无机盐的相关概念。另外,通过实践还可帮助学生认识到农业生产中施用磷肥、铁肥等肥料对农作物生长的作用，体会到科学与社会生产的紧密关系。

(基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助双创专项，No.XDJK2016E092、XDJK2016E094；*通讯作者)