“细胞大小与物质运输的关系”的数字化实验改进探讨

王姗欢+崔鸿

摘 要 在继承教材中“细胞大小与物质运输的关系”模拟实验方案的合理性的基础上，针对其存在的安全性和科学性问题，提出数字化实验方案，通过准确、实时记录电导率的变化，有力地揭示出细胞大小与外界物质交换率的关系。通过实验改进过程，推动学生参与合作探究，在探究中逐步推进其生物学核心素养的发展。

关键词 数字化实验方案 电导率 核心素养

中图分类号 Q-331 文献标志码 B

“细胞大小与物质运输的关系”是人教版高中生物必修1教材中第六章第一节的一个实验。教材把本实验安排在“细胞通过分裂进行增殖”之前的目的是：让学生通过探究细胞大小与物质运输的关系，理解细胞不能无限长大的原因，进而明白细胞分裂的必要性。

教材的实验方案中用含酚酞的琼脂块模拟细胞，用NaOH模拟被细胞吸收的物质，利用NaOH与酚酞的显色反应原理，通过测量NaOH扩散进不同大小的琼脂块的深度，进而计算出NaOH扩散的体积与整个琼脂块体积的比值，即扩散速率，从而探究细胞大小与物质运输效率的关系，使学生理解细胞不能无限长大的原因。

通过实施教材实验方案，笔者进行了反思，发现该实验方案主要存在以下问题：待扩散一定的时间后，即将琼脂块取出并切块测量扩散深度，之后不能再继续放入NaOH溶液中，故实验结果是一次性记录的，没有科学地反映细胞对物质运输的“相对连续性”。

1 數字化实验方案

在继承教材实验方案的合理性的基础上，针对上述客观问题，笔者采用数字化实验方案即电导率法，对实验设计思路进行改进。电导率即溶液传导电流的能力，反映的是单位时间内溶液中电导量的变化。纯水的电导率很小，当水中含有无机酸、碱、盐或有机带电胶体时，溶解于水中的电解质解离成阴、阳离子，电导率就增加；反之则下降。

1.1 实验材料

琼脂粉、NaCl、蒸馏水。

1.2 实验仪器

该实验方案中除了用到玻璃棒、烧杯、培养皿等常用的仪器外，还用到了数字化实验系统。数字化实验系统主要由电导率传感器、铂黑电极、数据采集器、计算机和配套软件（即友高数字化实验室V6.0）等构成，能够将实验现象转化为同步监测的信号，最终由计算机实时记录下来。

1.3 实验原理

根据物质扩散的特性，离子从高浓度向低浓度进行移动，移动面越大，移动离子量越大，产生电导率就越大。将三组相同体积、不同表面积的含NaCl的琼脂块放在盛有蒸馏水的烧杯中，NaCl就很快会电离出Na+、Cl-，并向低浓度方向移动。在搅拌的过程中，各个烧杯中的琼脂块分散开来，其中Na+、Cl-在盛有表面积最大的琼脂块组合的烧杯中扩散最快，通过铂黑电极感应并记录在计算机上，其电导率最大。

1.4 实验过程

基于上述实验原理，本实验课题的实验过程设计如下：

（1） 制作琼脂块。1 000 mL清水中加入12～13 g琼脂粉，加热搅拌溶解完全，后加入40 gNaCl，搅拌，沸腾后停止加热。稍冷却后，将溶液倒入烧杯中并冷却，约1～2 h溶液转变成固体琼脂，切成若干个边长为2 cm的立方块。将其中两个边长为2 cm的立方琼脂块按垂直的方向纵切两刀以及横切一刀（以下简称“三刀切”）得到两组各含8个1 cm×1 cm×1 cm的琼脂块组（注意暂时不要拆分），再将其中的一组共8个2 cm×2 cm×2 cm的琼脂块继续按此“三刀切”法切成一组共64个0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的琼脂块，并放在培养皿中，如图1所示。

（2） 连接数字化实验系统。将铂黑电极浸没于装有蒸馏水的烧杯中；单击专用软件“研究细胞大小与物质运输的关系”，进入“实验窗口”界面；单击“实验准备”，正常情况下，界面显示电导数据。可以单击“参数设置”更改采样间隔（或采集频率）。根据实验条件单击右下下拉式选项框，选择“实验一”。

（3） 进行“实验一”：迅速用药匙将边长为2 cm的立方琼脂块放入盛有蒸馏水的烧杯中，并单击计算机操作界面的“记录数据”，边搅拌边即时记录实验过程产生的实验数据；待图形以及数据稳定后单击“停止记录”；单击“选择数据”，将鼠标移动到所要选择的数据区域起点和终点单击即可；单击“线性模拟”，软件会自动对所选择的数据进行数据拟合，并将电导率记录到“电导变化率”后的方框内；单击“保存”，实验结果将保存到实验报告中，若要重复实验，点击“重复”按钮或关闭当前“实验窗口”重复步骤（3）。

（4） 进行“实验二”：将上述烧杯中的边长为2 cm的立方琼脂块倒掉，用蒸馏水清洗铂黑电极及烧杯，并擦干电极，向烧杯中加入干净的蒸馏水，并迅速用药匙将8个1 cm×1 cm×1 cm的琼脂块放入其中，同步骤（3），边搅拌边即时记录实验数据，最后生成新的电导率数据。

（5） 进行“实验三”：首先同步骤（4），将烧杯中的琼脂块更换为64个0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的琼脂块组；接着同步骤（3），边搅拌边即时记录实验数据，最后生成新的电导率数据。

（6） 单击“实验报告”，将操作界面中的实验报告填写完整，单击实验报告最右下角的“保存”按钮，系统将自动生成完整的实验报告电子文档。

1.5 实验结果及其分析

基于上述的数字化实验系统，导电变化率由0开始变化，实验开始后即每秒实时计数。由于本实验涉及到不同规格的琼脂块，故分为3个子实验，依次用的琼脂块组为1个2 cm×2 cm×2 cm 、8个1 cm×1 cm×1 cm和64个0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm，分别记为数字化实验一、数字化实验二、数字化实验三。待电导由0.00 mS增加至相近的数值时，停止记录，并点击“线性模拟”可得到三条斜率不同的曲线（其斜率反映的就是电导率值）及表格数据，即实验结果见表1，所得到的实验数据曲线如图2所示。

比较上述结果，得出：相同体积的琼脂块随着被分割的越多，电导率变化越大。

实验结论：相同体积下电导率变化随着表面积增加而增大。即生物体相同体积内，细胞越小，细胞数量越多，与外界物质交换运输越多。

2 对比及反思

2.1 实验方案的对比

将改进后的数字化实验方案与教材实验方案进行对比，不难发现数字化实验方案存在以下优点：（1） 充分利用了琼脂亲水、疏松的结构特性，便于进行物质吸收；（2） 克服了因使用NaOH溶液带来的安全隐患，且大大缩短实施实验的时间；3 能动态反映“物质扩散的连续性”，即能拉近模拟实验与真实的细胞进行物质运输的距离，故更具直观性与科学性。但它与教材实验方案相比，都存在共同的缺点：即由于琼脂块不太好切成不同边长的立方块，往往制作出来的琼脂块残缺不全。

2.2 实验改进后的反思

从实验结论来看，该实验不仅说明了细胞的相对表面积越大，其物质运输效率越大；同时也可说明细胞膜广阔的膜面积为多种酶提供了大量的附着位点，有利于细胞内各类生化反应的顺利进行。当然不仅细胞膜如此，整个生物膜系统皆如此，便于学生深入理解结构与功能相适应的观点。

从实验系统来看，数字化实验系统的运用的突出优点在于精确、直观、省时。所以，应用传统方法与仪器进行的定性实验，如比较过氧化氢在不同条件下的分解等，可以加以改进为定量的数字化实验，通过直观的实验数据很容易得出结论。

从生物学核心素养的发展来看，该实验体现了以下几点：（1） 注重学生生命观念的形成，即体现了物质运输是一个连续进行的过程，同時需要指出的是此模拟实验未能反映出细胞膜的结构与功能特性，借此需要强调细胞膜结构与功能的统一性，即生物学研究对象的生命性。（2） 注重学生理性思维的形成，即整个实验过程中运用到了模型建构（包含数学模型、物理模型的建构）的科学方法，并注重学生批判性思维的发展，能在继承教材实验方案的合理性的基础上思考并提出改进的实验设计方案，同时也渗透了辩证唯物主义观的教育。（3） 强化了学生的科学探究能力，学生以小组为单位，能在教师的引导下积极思考、探讨如何改进实验设计方案，并能实时记录且分析实验数据、得出结论，极大提升其探究能力及团结协作精神。

参考文献：

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[2] 隆忠，罗杰霞.再谈“细胞大小与物质运输关系”模拟实验的改进[J].生物学通报，2014，06：49-50.

[3] 谭永平.从发展核心素养的视角探讨高中生物必修内容的变革[J].课程·教材·教法，2016，07：62-68.