渗透装置实验分析： 被忽视的“分子扩散”

何彬彬

(四川省成都市新津中学 成都 611430)

分子扩散是物理学中的一个概念，却是理解很多生物学现象的基础，如渗透作用、物质跨膜运输方式、酶促反应、蒸腾作用、生物体内的气体交换等。“物质跨膜运输的实例”是人教版高中生物学教材《分子与细胞》中一节的内容，教材在问题探讨部分，引入了渗透装置，让学生通过分析漏斗内液面上升的现象，并提出来3个讨论题： ①漏斗内液面为什么会升高？②如果用纱布代替玻璃纸，漏斗管内的液面还会升高吗？③如果烧杯中不是清水，而是同浓度蔗糖溶液结果会怎样[1]。通过3个问题，总结出渗透作用发生的条件。但在教学中发现高中学生较难完整地解释第一个问题。

实际上，布朗运动、分子扩散是理解渗透现象必不可少的知识基础。然而在初中阶段，分子热运动理论学习不多，初中教师较少地提及布朗运动，而在高中阶段热学是选修内容，以四川省为例，学生不会选修，故高中学生较难理解渗透作用原理。在美国高中生物学教材《生命的动力》中的布朗运动、扩散作用和渗透作用等都作为单独的学习主题，有明确的定义，并配合图文详尽地阐述；英国高中生物学教材《AQA Biology》也是如此。因此，在针对本节内容的教学时，重新设计学习流程，通过递进推演的学习进程，能帮助学生更深刻地理解渗透作用。

1 设计思路

1.1 以科学史的形式，引入布朗运动 1827年，苏格兰科学家罗伯特·布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉颗粒。他发现这些颗粒一直在剧烈地运动。布朗还观察不同组织的死细胞、碳粉等非生命的物质，这些小颗粒同样是在不停地、无秩序地运动。

但是，布朗没能解释这种无规则的运动机理。一个世纪以后，阿尔伯特·爱因斯坦终于在分子水平对该现象进行了解释。他提出了一个模型： 小分子(如水分子)在没有遇到其他分子(如水分子)或微粒(如花粉)前做直线运动；分子运动过程中会相互碰撞。这是一种弹性碰撞，像2个乒乓球相撞一样，一旦被碰撞后会改变运动方向；而这个微粒运动的方向和速度，是所有小分子对其从不同方向撞击的总和。这种无规则的随机运动，在无生命的物质会发生，在活细胞内也会发生，如在显微镜下可观察到细胞质的流动。这是物质分子所固有的属性,这种属性也是分子扩散的基础[2]。

1.2 观察实验，分析影响分子扩散因素 实验操作过程： ①准备3只烧杯，分别编成1号、2号、3号；②向3只烧杯中加入等量的清水，1号、2号烧杯水温为常温，3号烧杯为90℃水；③向3只烧杯中均加入两滴墨水，1号墨水浓度较低，2号、3号墨水浓度相同；④观察墨水分子在清水中的扩散速度(以墨水和水混合均匀所需时间长来短判断)。这个实验操作简单，但是可非常明显地观察到，墨水分子在水中缓慢移动,这种移动依赖于水分子对墨水分子的撞击。这种微粒(如墨水)从高浓度区域向低浓度区域的净位移，即为扩散[3]。

通过观察发现，溶液混合均匀所需时间由短到长依次为3号、2号和1号，可引导学生思考影响扩散速度的因素。物质的浓度： 对比实验中1号、2号烧杯，2号烧杯墨水浓度更大，扩散速度更快；温度： 3号烧杯扩散速度最快。分析： 物质浓度高分子间的碰撞越多，物质扩散速度越快；温度升高会增加分子动能，从而加快扩散。此外，扩散速度还与压力等因素有关。

以必修1第6章的“细胞大小与物质运输效率的关系”模拟实验为例，该实验可通过琼脂块变色深度(mm)，除以琼脂块在酚酞中浸没的时间(min)计算出扩散的速度。同样，这个实验有助于学生理解影响扩散的因素，也能从直观上体会到扩散是个缓慢的过程。

1.3 解释渗透作用 渗透作用是水分子通过半透膜，从低渗溶液向高渗溶液的扩散。扩散可用来描述任一分子的运动，而渗透仅只水分子的运动。如何应用布朗运动，以及分子扩散来解释渗透作用呢？可通过图1作为模型解释，左侧溶液中溶质分子较少，称为低渗溶液；而右侧溶质分子较多，称为高渗溶液。

模型解释： 可把半透膜作为一种有小孔的膜，孔径大小允许水分子通过，却不允许溶质分子通过。但是，溶质分子仍然向任一方向做随机运动，却会被阻挡在膜的两侧，右侧的溶质分子更多，被膜阻挡在右侧的水分子也更多，有的甚至阻挡在小孔附近，所以右侧的水分子被溶质分子碰撞弹回的概率更大；而左侧的溶质分子少，水分子被阻挡在左侧的机会也少，更容易随机运动到右侧，水分子的运动趋势是从低渗溶液到高渗溶液，但是最终分子运动将达到平衡。但需要注意的是在这种平衡下，分子仍在做无规则地运动。水分子仍然可自由地通过半透膜。

图1 渗透作用模型[3]

在此基础上可将半透膜做一个立体的延伸，组成一个球形，类比细胞膜。让学生推测细胞处于等渗溶液、低渗溶液和高渗溶液下水分子进出细胞趋势。在此基础上，再展开教材中的内容学习。

2 讨论

教师在教学过程中，会直接给出渗透作用发生的条件，学生也不会心存疑虑。但是，当问题更加接近渗透作用的实质时，学生就较难回答： 当漏斗的液面停止上升时，水分子还在扩散吗？漏斗内的溶液与烧杯的溶液相同吗？但是当采用层层逻辑推进的教学流程时，学生能更深刻地理解渗透装置，能清晰地给出解释： 漏斗的液面上升，会受压力的影响，使漏斗中的水分子向烧杯中扩散速度加快；但漏斗中的蔗糖分子，将水分子反弹回漏斗，阻止水分子进入烧杯，最终达到平衡。

分子扩散不仅是物质跨膜运输方式的理论基础，还可解释较多的生物学现象。例如，人体如何进行气体交换，氧气分子如何到达细胞内部；酶促反应条件是酶与底物分子的相互碰撞，而影响分子扩散的因素(如温度、酶数量和底物浓度等)，会引起酶促反应速率的变化。