在实验再探究中提升学生的科学探究能力——以“植物细胞的吸水和失水”为例

江苏 章 青

科学探究是学科核心素养之一，教师在实验教学中，根据实验中出现的问题进行再探究，以及对实验的改进与拓展，是培养学生科学探究能力的一个重要途径。探究实验的基本流程为提出问题、作出假设、设计实验、进行实验、分析结果与得出结论、表达和交流、进一步探究。而“进一步探究”环节往往被忽视，“进一步探究”是对所进行实验中存在的问题进行再探究，包括对实验过程的优化、实验材料与试剂的优选、实验原理的拓展与应用等。下面笔者以“植物细胞的吸水和失水”实验为例来进行具体说明。

1.实验原理分析

“植物细胞的吸水和失水”实验的原理是渗透作用，发生渗透作用应该具备两个条件：半透膜以及半透膜两侧的溶液存在浓度差。因此在实验原理分析时要将典型的渗透装置与植物细胞所处的环境进行类比（如图1），植物细胞的原生质层相当于渗透装置中的半透膜，细胞液与外界溶液相当于渗透装置中半透膜两侧的溶液，如果细胞液与外界溶液之间存在浓度差，就可以发生渗透作用。

图1

2.实验过程剖析

植物细胞的细胞液与外界溶液之间是否能够发生渗透作用，需通过设计实验来进行验证，实验的基本步骤如图2所示。

图2

2.1 实验过程中应注意的细节

①在制作装片时，应用镊子夹取盖玻片，让其一侧接触载玻片，并且接触水滴，然后轻轻地放平，这样可以防止气泡产生。②实验中三次使用显微镜观察都是采用低倍镜，不需要使用高倍镜观察。③两次分别在盖玻片的一侧滴加蔗糖溶液与清水，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，这种操作需要重复几次，才能使洋葱表皮细胞周围充满相应的液体。

2.2 实验异常分析

如果在实验过程中发生质壁分离的细胞在滴加清水后不能发生质壁分离的复原，则表明植物细胞失水过多死亡，可能是植物细胞质壁分离后放置时间过长，或者是蔗糖溶液浓度过高造成的。

2.3 实验中是否有对照实验

该实验共进行三次观察，第一次观察是清水制作的装片，即自然状态下的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞；第二次观察是用质量分数为0.3 g/mL的蔗糖溶液处理后发生质壁分离的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞；第三次观察是用清水处理后发生质壁分离复原的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞。这里包含两次对照实验：第一次（对照组）与第二次（实验组）进行对照，第二次（对照组）与第三次（实验组）进行对照，该实验是前后对照，并不需要单独设置空白对照。

3.实验改进

3.1 实验分析

教材上使用紫色洋葱鳞片叶外表皮进行实验，紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞由于液泡中含有紫色的色素，并且液泡在成熟植物细胞中占据的体积为90%以上，因此，可通过观察紫色范围大小的改变程度来判断质壁分离与质壁分离的复原的程度。但仔细分析细胞的结构会发现，液泡呈紫色（如图3），发生质壁分离时紫色部分并不包括原生质层，由于原生质层是无色的（如图4），就被认定为是外界溶液，这显然是不科学的，如何避免出现这种情况呢?笔者认为可以进行再探究，尝试从实验材料与实验试剂上对实验进行优化。

图3 正常的植物细胞

图4 质壁分离的植物细胞

3.2 实验材料的改进

在实验中可以选用无色的洋葱鳞片叶内表皮细胞作为材料，在含红墨水的蔗糖溶液中，通过显微镜可观察到很明显的无色洋葱内表皮细胞质壁分离与质壁分离复原的现象。这种方法的优点：第一是撕取洋葱鳞片叶内表皮比撕取外表皮更容易得到单层细胞，操作方便；第二是质壁分离后呈红色的部分是外界溶液，而无色的部分是原生质体，即包括细胞膜、细胞质、液泡等结构，这样观察到的无色部分的最外边界，即细胞膜，使得实验更加科学合理。

此外还可以利用黑藻或苔藓的叶片来进行实验，虽然黑藻与苔藓叶肉细胞没有紫色液泡，但并不影响观察质壁分离及质壁分离复原的现象，因为黑藻与苔藓液泡周围的细胞质中布满了叶绿体，几乎整个细胞都是绿色的，与无色的外界溶液有明显区别，很容易观察到质壁分离及质壁分离复原的现象，并且绿色的部分是原生质体，而无色的部分是外界溶液，这样就不会将原生质层误认为是外界溶液了。

3.3 实验试剂的改进

蔗糖溶液带有一定的黏性，操作不当会污染物镜且不容易清洗，影响实验器材的使用。笔者发现用食盐作为溶质配制质壁分离试剂比用蔗糖溶液更好，如果用洋葱表皮细胞做实验，质量分数为3%～4%的食盐溶液是比较适合的，标本浸泡2分钟后质壁分离现象逐渐明显。当然在实验前教师要根据实际材料的不同先进行预实验，找到适宜浓度的食盐溶液。在以无色的洋葱鳞片叶内表皮细胞为材料进行实验时，还可以在蔗糖溶液中滴加红墨水。在实验中也可以使用浓度为0.07 g/mL～0.13 g/mL的KNO3溶液替代蔗糖溶液进行实验，由于KNO3溶液中的K+与可被洋葱鳞片叶表皮细胞吸收而导致质壁分离后自动复原，这样可以省去滴加清水使发生质壁分离的细胞再复原的步骤，使实验时间缩短。

【例1】在进行质壁分离实验时，有学生用两种方法进行实验：①用紫色的洋葱鳞片叶外表皮细胞及0.3 g/mL蔗糖溶液；②用无色的洋葱鳞片叶内表皮细胞及与0.3 g/mL蔗糖溶液等渗的胭脂红溶液（胭脂红是一种水溶性的大分子食用色素，呈红色）。结果如图5所示，下列有关叙述正确的是（ ）

图5

A.测定液泡大小变化最好选用方法②

B.两种方法中细胞液中的水分子都是从内向外运动

C.①中的紫色与②中的无色部位的结构不完全相同

D.测定原生质层与细胞壁间的分离程度最好选用方法①

【答案】C

【分析】此题是将常规实验材料与改进的实验材料进行比较，想答对这道题必须明确液泡的外面还有一薄层的原生质层，这是在用紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞作为实验材料的实验中观察不到的。

4.实验拓展与应用

4.1 判断成熟植物细胞的死活

死细胞、动物细胞及未成熟的植物细胞（如根尖分生区细胞）不发生质壁分离及复原现象，只有具有中央大液泡的成熟植物细胞可发生质壁分离及复原现象。因此，可以应用质壁分离与复原实验判断一个成熟的植物细胞是死细胞还是活细胞。

4.2 判断质壁分离实验试剂类别

成熟植物细胞在一定浓度（溶质不能透过膜结构）的溶液中只会发生质壁分离现象，不能发生自动复原现象，只有用清水或低渗溶液处理才能复原，如蔗糖不能通过洋葱鳞片叶表皮细胞。在一定浓度的溶质可透过膜的溶液中，如KNO3、尿素、甘油等溶液，进行实验时可发生质壁分离后自动复原的现象。在高浓度溶液中可发生质壁分离现象，但由于过度失水而使细胞死亡，原生质层失去了选择透过性，则不会发生质壁分离复原的现象。

【例2】图6为某同学利用紫色洋葱鳞片叶作为实验材料，观察植物细胞质壁分离与复原的基本操作步骤。下列相关叙述错误的是（ ）

图6

A.d和b形成对照，f和d形成对照

B.该实验可观察到液泡的颜色和大小

C.将蔗糖溶液换成浓度适宜的KNO3溶液，则可以省略e步骤

D.增大蔗糖溶液的浓度，实验效果会更明显且不影响细胞的活性

【答案】D

【分析】此实验中的前后观察互为对照。如果将蔗糖溶液换成浓度适宜的KNO3溶液，由于在细胞失水的同时，不断以主动运输的方式获得K+和NO-3，导致细胞液浓度升高，当细胞液浓度大于外界溶液浓度时，细胞开始吸水，从而出现质壁分离自动复原的现象。如果蔗糖溶液的浓度过高，会导致细胞因过度失水而死亡。

4.3 测定细胞液浓度

配制一系列浓度梯度的蔗糖溶液，分别制作待测成熟植物细胞的临时装片，观察装片中待测成熟植物细胞的状态。细胞液浓度介于未发生质壁分离和刚发生质壁分离的蔗糖溶液浓度之间。

【例3】为探究植物甲能否移植到甲地生长，某生物学研究性学习小组通过实验测定了植物甲细胞液的浓度，实验结果如下表所示。为保证植物甲移植后能正常生存，则甲地土壤溶液的浓度应为（ ）

A.≤0.15 mol/L B.≤0.2 mol/L

C.≥0.2 mol/L D.≥0.3 mol/L

【答案】A

【分析】通过实验得知植物甲的细胞液浓度介于不发生质壁分离与刚分离之间（0.15 mol/L～0.2 mol/L），由于这是移栽植物，植物需要吸收水分，因此甲地的土壤溶液浓度应小于等于0.15 mol/L。

4.4 破坏原生质层对实验的影响

质壁分离与复原的前提条件是原生质层有活性，如果用酸、碱或高温破坏原生质层，原生质层便会失去选择透过性，就不能发生质壁分离或质壁分离的复原。如果用高浓度溶液处理细胞会使细胞过度失水而死亡，高温、酸或碱处理细胞会使细胞死亡，从而导致原生质层被破坏，生物膜失去选择透过性，从而不能发生质壁分离与复原现象，并且使细胞中的色素能够从细胞中扩散到外界溶液中。

【例4】按下面步骤进行质壁分离实验，回答相关问题：步骤一：在洁净的载玻片中央加一滴清水，取一片藓类小叶，盖上盖玻片。

步骤二：从盖玻片一侧滴入0.3 g/mL的蔗糖溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引。这样重复几次，使盖玻片下面的藓类小叶浸润在0.3 g/mL的蔗糖溶液中。

步骤三：在显微镜下观察，结果如图7所示。

图7

（1）图中A、B处的颜色分别是________。

（2）如果上述实验步骤二中从盖玻片的一侧滴入的是加有伊红（植物细胞不吸收的红色染料）的0.3 g/mL的蔗糖溶液，则在显微镜下观察到A、B处颜色分别是_________。

（3）如果用与0.3 g/mL的蔗糖溶液等渗的KNO3溶液中进行实验会出现的现象是__________________。

（4）如果将步骤二中浸润在0.3 g/mL的蔗糖溶液中的藓类小叶的装片，放在80℃条件下处理一段时间（装片中的藓类小叶保持在0.3 g/mL的蔗糖溶液中）。在显微镜下不能观察到质壁分离的复原，并且发现A处呈绿色，可能的原因是_______。

【答案】（1）无色、绿色 （2）红色、绿色 （3）先发生质壁分离，然后会自动发生质壁分离的复原 （4）高温下细胞膜、叶绿体膜失去选择透过性，叶绿素等色素进入A处

总之，除对教材实验流程要掌握外，还要对实验原理进行细致分析，对实验中出现的新问题进行再探究，对实验试剂、材料、步骤根据当地的实际情况进行优化，在此基础上进行拓展与延伸，这样不仅能使学生掌握实验的基础知识，也能够提升学生的科学探究能力。