“膜的透性”探究实验的设计

郭琪琦

(广东省深圳市第二实验学校 518021) 刘香梅 (辽宁师范大学附属中学 大连 116023)

“通过模拟实验探究膜的透性”是课程标准中对“阐明质膜具有选择透过性”这一核心概念的活动建议。人教版生物学教材《分子与细胞》中提供了一套由长颈漏斗、烧杯、玻璃纸、蔗糖溶液和清水等组成的渗透装置。由于这套实验装置存在操作较复杂、实验现象不明显和实验时间较长等问题，很多教师对该实验装置进行了改进。例如，通过对比实验发现鸡蛋卵壳膜是实验效果较好的生物材料[1]，用矿泉水瓶、塑料管自制装置并加装刻度尺使实验结果量化[2]，甚至是将实验装置直接简化为由鸡蛋、培养皿组成等[3]。这些改进使得该实验不再是模拟实验，而是使用真实的生物材料来探究膜的透性。

笔者在中国期刊网(CNKI)以“渗透装置”为关键词，搜集整理相关实验研究论文后进行分析发现：教师在教材装置得到改进之后，几乎所有的教师都仍然利用教材提供的蔗糖、清水进行实验，较少有教师在“膜的透性”这一问题上开展更多的探究。而长期以来，学生对于教材中关于“细胞膜的选择透过性”这一核心概念的叙述：“这种膜可以让水分子自由通过，一些离子和小分子也可以通过，而其他离子、小分子和大分子则不能通过。”也只是一种较模糊的认知[4]。因此，本文借鉴美国生物学实验教材中利用透析袋探究膜的选择透过性的实验，设计出利用鸡蛋卵壳膜探究“膜的透性”的实验，用以帮助学生理解这一核心概念。

1 实验设计

1.1 实验原理 在原有实验探究蔗糖分子、水分子能否透过生物膜的基础上，增加3组实验探究生物膜对淀粉、离子和葡萄糖的透性。涉及到的物质检测原理有：①碘检测淀粉，向溶液中加入碘，如果溶液中存在淀粉，碘将变蓝；②硝酸银检测氯离子，将硝酸银加入含有氯离子的溶液中，溶液由澄清变为浑浊；③斐林试剂检测葡萄糖，如果溶液中含有葡萄糖，加入斐林试剂并经水浴加热后会出现砖红色沉淀。

1.2 材料用具 鸡蛋4枚、红糖溶液(即蔗糖溶液，深色，便于实验结果的观察)、清水、碘液、淀粉溶液、硝酸银溶液、氯化钠溶液、葡萄糖溶液、斐林试剂、培养皿4个、泥三角(化学实验室常用器具)4个。

1.3 实验过程 具体实验过程如下：

1.3.1 制备卵壳膜 鸡蛋的卵壳膜厚约70 μm，分为外膜和内膜，在鸡蛋的钝端，两层膜分开形成气室。去除钝端蛋壳及其表面的卵壳膜外膜，以钝端卵壳膜的内膜作为半透膜。

具体的做法是：①用镊子在鸡蛋的锐端轻轻敲出一个小孔，然后将鸡蛋的锐端朝下，在钝端用剪刀尖处刺破一个洞以通气；②轻轻地将蛋黄和蛋清倒出，并用清水将内部冲洗干净；③在鸡蛋的钝端找到气室的位置，将该处蛋壳小心敲碎，轻轻地将蛋壳和内膜剥离，露出直径为1 cm的卵壳膜[4]。

1.3.2 组装简易渗透装置 取直径为9 cm的洁净培养皿，倒入适量溶液1(表1)。在培养皿中放入泥三角，将鸡蛋的钝端架在泥三角上，调整泥三角的高度，使钝端的卵壳膜浸入培养皿的溶液中。从鸡蛋的锐端小孔中加入适量溶液2(表1)。

1.3.3 进行分组实验 组装4套简易渗透装置(图1)，按照表1分别加入相应的溶液，进行分组实验。一段时间后，观察并记录实验结果。

1.4 实验结果 实验结果与结论见表1。4组实验结果显示，鸡蛋卵壳膜可以让水分子自由通过，氯离子和葡萄糖也可以通过，而银离子、蔗糖分子和淀粉分子则不能通过，由此说明：生物膜具有选择透过性。

图1 简易渗透装置设计

组别溶液1培养皿中溶液2蛋壳中实验结果实验结论1清水高浓度的红糖溶液培养皿中溶液减少,颜色无变化;蛋壳中溶液增多,颜色变浅水能够透过卵壳膜,蔗糖分子不能透过卵壳膜2淀粉溶液碘液培养皿中溶液出现蓝色;蛋壳中溶液无明显变化淀粉分子不能透过卵壳膜3硝酸银溶液氯化钠溶液培养皿中出现白色沉淀;蛋壳中溶液无明显变化氯离子能够透过卵壳膜,而银离子不能4清水葡萄糖取培养皿中溶液与斐林试剂反应,产生砖红色沉淀;取蛋壳中溶液与斐林试剂反应,产生砖红色沉淀葡萄糖分子能够透过卵壳膜

2 实验讨论

2.1 实验装置设计更加稳定、安全 本实验进一步改进了由鸡蛋和培养皿组成的简易实验装置：用泥三角作为鸡蛋壳的支架，比用镊子夹住鸡蛋壳更加稳当，且不必担心蛋壳被夹破。相比于教材实验装置和前人改进的实验装置，本实验材料用具易得，装置组装简便，具有以下优点：①相比于用盐酸、醋酸等酸性物质溶解鸡蛋壳获取卵壳膜的方法，本实验使用物理方法更加环保；②不需要将卵壳膜绑在长颈漏斗上，也不需要借用铁架台完成组装，操作简单；③以泥三角来支撑鸡蛋壳，更加稳定、安全；④用培养皿作为膜外溶液的容器，相比烧杯节约了试剂的用量。

2.2 实验过程比较简单、现象明显 经过实验装置的改进设计，该实验的过程更加简单、现象明显。这样，“膜的透性”实验不再限于课堂演示，还适用于高中生物学课堂开展的探究性教学，学生能够在实验课上进行小组合作探究，改进后的实验设计也可为教师开展课外的研究性学习提供了参考。

2.3 实验内容有利核心概念的构建 该实验增加淀粉、离子和葡萄糖等实验试剂，完善了对“膜的透性”的探究。氯离子、银离子的通透结果让学生见证了生物膜的特性：①让某些离子通过，而某些离子不能通过；②小分子，如葡萄糖能通过，而蔗糖不能通过；③大分子淀粉没有通过。当学生做完实验，亲眼看到实验现象，再重读“生物膜是一种选择透过性膜，这种膜可以让水分子自由通过，一些离子和小分子也可以通过，而其他离子、小分子和大分子则不能通过”这句话时，便不再是空泛的概念，而是有亲自实践得到的感性认识，可加深对教材知识的理解。