妙用土豆破难点——“细胞大小与物质运输效率的关系”的模拟实验

◆广州市南武中学高一（10）班 吕雨萱

本期点评专家

张永强 正高级教师，湖南省十佳科技教师。科普中国2021 年十大科普人物奖获得者，全国校园发明创意大赛、湖南省青少年科技创新大赛、湖南省创新编程与智能设计大赛、湖南省科学调查体验活动评审专家组成员。

高一生物学必修1 第六章《细胞的生命历程》中，为了让同学们更好地理解细胞为什么不能无限长大，老师安排了“运用模型作解释”这样的一个思维训练：用边长分别为1 cm、2 cm 和3 cm 的正方体模拟三个大小不同的细胞，计算每个“细胞”的相对表面积值和葡萄糖酸钙进入“细胞”后扩散的体积与整个“细胞”体积的比值，然后通过分析这两组数据的关系，推导上述结论的合理性。然而，周围的同学都表示在理解这个知识点时，或多或少有些吃力。

我留意到，煮熟或炒熟的土豆呈明显的“半透明”状态。通过网络资料的查询，我知道了其中的奥秘，原来这个现象叫淀粉的“糊化”。淀粉“糊化”这个生活现象能否运用到上述模型模拟实验中，帮助同学们突破学习难点呢？

带着这样的想法，我迫不及待地展开了探究，在自家厨房进行实验。

一、实验步骤

（一）将三个土豆分别切成边长2 cm、2.5 cm、3 cm 的正方体块。

（二）往锅中加水，加热直至沸腾。

（三）将三个正方体土豆块同时放入锅中加热2 min，保证它们同时被水浸没。

（四）同时取出三个土豆块，晾凉后将其分别切开，它们的剖面如图3。我们可以清晰地看到，土豆块中淀粉遇热、遇水后的“糊化”现象，并且“糊化”的“透明”部分和未“糊化”的“不透明”部分有着清晰的界限，便于进行后续的数据测量。

图1 将土豆切块

图2 加热土豆块

图3 出现“糊化”现象的土豆块

（五）用刻度尺测量三个土豆块变“透明”部分的深度，

作者有话说：

土豆去皮后暴露在空气里很快会被氧化。我在进行第一次实验操作时，由于切土豆经验不足导致材料制备时间过长，切开的土豆被氧化的痕迹明显，对后续的实验结果有较大的影响。经过多次尝试，我终于探究出能使该实验效果最佳的土豆块的边长长度和加热的时长。并计算呈“透明状”体积与土豆块总体积的百分比。如表1。

表1 三个土豆块呈“透明状”体积与土豆块总体积的比组

作者有话说：

实验中土豆块的边长是自变量，土豆“透明”部分与总体积的比值是因变量。加热时长、加热温度、土豆浸入水中的深度是无关变量。用同一个锅加热、把三个土豆块同时放入锅中和加足够多的水使土豆块完全浸没等操作，均体现了对于无关变量的控制。

二、结果与结论

观察实实在在的实验现象，再来对比表1 中的实验数据，发现本来“冰冷严肃”的实验数据立马变得“鲜活生动”了，晦涩难懂的实验理论也变得简单明了：“透明”体积与总体积的比值代表细胞的“物质运输效率”，非常直观。

细胞的体积越大，相对表面积则越小，物质运输的效率也越低。怪不得书本上让我们分析“相对表面积”和“物质扩散体积/总体积”这两组数据的关系呢。这一刻，我恍然大悟！

三、实验优点

（一）材料易得，操作简便，在自家厨房就能开展实验，而且操作过程无需添加其他的化学试剂。

（二）现象明显，能清楚地看到淀粉“糊化”与未“糊化”之间的界限，对后续的测量和分析都很有利。（指导老师：尚莉萍）

作者有话说：

原来，细胞不能无限长大的主要原因是：细胞体积越大，需要的营养物质越多，需排出的代谢废物也越多，物质通过细胞膜的运输速度有限，如果细胞表面积与体积的比值过小，则物质通过细胞膜的输入和输出会遇到困难，造成细胞膜“不堪重负”。此外，细胞不能无限长大的原因和细胞核对细胞的控制能力有很大的关联度。

专家点评

该实验通过观察土豆块在加热后的淀粉“糊化”现象，巧妙地展示了细胞体积与表面积的关系。这种创新的实验方法将复杂的生物学原理简单化，更易于理解。

实验材料选择得当，步骤清晰，符合科学实验的基本要求。实验者选用土豆作为实验对象，其内部淀粉含量高，加热后“糊化”现象明显，便于观察。通过加热不同尺寸的土豆块，能更直观地展示细胞大小的效应。实验结果清晰，与结论相符。实验操作简单明了，通过加热土豆块，可以观察到淀粉“糊化”的过程。对“透明”部分和未“糊化”部分界限的观察也十分清晰，这有助于后续的数据测量和计算。

为进一步提高实验的准确性，建议：尽量选择形状规则、淀粉含量相近的土豆作为实验材料；可尝试使用体视显微镜来观察淀粉“糊化”的过程，以更精确地测量“透明”部分和未“糊化”部分的界限。