鄭自展 李常歡 霍 靜**

（1 湖北省水果湖高級中學 湖北武漢 430071 2 西南大學生命科學學院 重慶北碚 400715）

普通高中生物學的課程改革將“內(nèi)容聚焦大概念”作為基本理念，為進一步突出教學重點，實現(xiàn)課程內(nèi)容“少而精”提供保障［1］。例如，“穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)”模塊，要落實“生命個體的結構與功能相適應，各結構協(xié)調(diào)統(tǒng)一共同完成復雜的生命活動，并通過一定的調(diào)節(jié)機制保持穩(wěn)態(tài)”的大概念，認識“體液”是獲得此大概念的基礎。體液是人和動物體內(nèi)的液體，屬于高等動物的專屬概念，由自由水和溶解在其中的離子及化合物組成。細胞膜將體液分隔成細胞內(nèi)液和細胞外液。細胞外液成為機體在“神經(jīng)-體液-免疫”調(diào)控下，各器官、系統(tǒng)協(xié)調(diào)活動，維持“穩(wěn)態(tài)”的媒介，也稱為內(nèi)環(huán)境。

課程標準在“教學提示”中指出，應開設“比較清水、緩沖液、體液對pH 值變化的調(diào)節(jié)作用”等相關實驗，通過比較不同溶液或生物材料，在加入一定量酸或堿溶液后，記錄并分析溶液pH 值的變化情況，幫助學生理解內(nèi)環(huán)境的pH 值能保持穩(wěn)定，為學生形成“穩(wěn)態(tài)”大概念奠定基礎。但“內(nèi)環(huán)境”“細胞外液”“體液”等名詞，又是學生易混淆的生物學術語。本研究以“生物體維持pH 穩(wěn)定的機制”實驗為載體，探討建立“穩(wěn)態(tài)”大概念的要點。

1 辨析實驗材料，澄清迷思概念

中學開展該實驗的選材較為多樣。教材建議選用的生物材料為肝勻漿、馬鈴薯勻漿、稀釋后的雞蛋清及黃瓜勻漿等，也有教師在教材的基礎上，增選了白菜汁、蘿卜汁、梨汁和橘汁［2］等材料。對這些不同生物液體的來源與性質進行辨析（表1）。

表1 不同生物液體材料的來源辨析

細胞內(nèi)液是高等動物機體內(nèi)最大的含水區(qū)域，富含大量的K+、HPO42-、Ca2+等，主要包括核液、細胞質基質、細胞器基質等液體，由細胞膜包被，維持細胞的形態(tài)；細胞外液是血漿、組織液和淋巴動態(tài)的有機聯(lián)系，構成了機體內(nèi)細胞直接生活的環(huán)境，又稱內(nèi)環(huán)境，含有大量的Na+、Cl-、HCO3-和蛋白質等營養(yǎng)物質；腦脊液是機體內(nèi)與外界不相通的液體，也屬于細胞外液。細胞內(nèi)液和細胞外液二者在離子組成上有較大的差異。動物血液由血細胞和血漿組成，既包含了細胞（細胞內(nèi)液），又包含了細胞外液的成分。含有細胞內(nèi)液的細胞，生活在細胞外液中，并通過細胞外液與外界環(huán)境進行物質交換，同時細胞內(nèi)液與細胞外液共同保持細胞內(nèi)外滲透壓平衡，對維持細胞正常形態(tài)、結構和功能起到了重要的作用。

理解“穩(wěn)態(tài)”大概念時，使用動物的肝勻漿，無法區(qū)分細胞內(nèi)和細胞外的液體，在實驗選材上混淆了“體液”“細胞外液”“細胞內(nèi)液”的概念；同時，植物細胞的質膜具有選擇透過性，能維持細胞相對穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境，植物體的內(nèi)部環(huán)境可理解為細胞內(nèi)的液體環(huán)境，一般不區(qū)分細胞內(nèi)液和外液，選擇植物材料與實驗對“體液”穩(wěn)定性的研究并不匹配。教學的任務是幫助學生澄清迷思概念，若實驗材料選擇不當，不僅不能澄清迷思概念［3］，反而導致概念相互混淆。

本研究建議采用自制的新鮮兔血漿，即用市售含肝素的一次性真空采血管采集家兔全血，離心（3 000 r／min，10 min），靜置，待分離上層黃色透明液體可立即使用，或低溫無菌凍存，待用時37℃水浴緩慢解凍后使用；0.01 mol／L PBS 溶液（即磷酸鹽緩沖液，主要成分為磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、氯化鈉及氯化鉀等），目前已有市售的PBS（pH=7.0）干粉，可按照說明書，一次配制1 L的用量，經(jīng)高溫濕熱滅菌后低溫保存；和蒸餾水作為實驗材料。兔新鮮血漿是哺乳動物典型的內(nèi)環(huán)境，觀察它在酸堿環(huán)境中pH 值的變化情況，學生能對應“血漿”代表的“內(nèi)環(huán)境”。如果實驗不能收集到新鮮的兔血漿，可購買小牛血清替代。血清中雖不含有纖維蛋白原，卻保留了血漿中絕大多數(shù)的緩沖對，也能較好地模擬機體的內(nèi)環(huán)境生理生化特征，減輕實驗準備的工作量，同樣能得到近似的實驗結果。

2 利用預實驗，強化科學探究

科學探究是一種解決問題的思維方式。根據(jù)實驗“比較清水、緩沖液、體液對pH 值變化的調(diào)節(jié)作用”，提出具體的問題“清水、緩沖液、體液對酸（堿）性物質的調(diào)節(jié)能力，哪一個更強？ ”據(jù)此，實驗設計的關鍵就轉為“加入什么樣的酸或堿進行實驗”及“加入的濃度和用量是多少”的問題。內(nèi)環(huán)境的“穩(wěn)態(tài)”并非一成不變，學生通過與緩沖液進行比較，理解“緩沖對”在維持機體內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定的作用。緩沖液比體液的緩沖能力弱，需要通過預實驗對加入的酸（堿）用量作出“預判”，才能保證實驗成功。

通過預實驗，找到了在一定的反應體系中，每次加入具體的酸（或堿）的量（例如10 mL 的體系，每次加入10 μL 的1.2 mol／L 的HCl 或1.2 mol／L的NaOH），為進一步實施實驗，觀察“緩沖”的動態(tài)變化過程做好準備。

預實驗還可對測量工具進行優(yōu)化。精密pH值試紙測量范圍有限，試紙顯色時易出現(xiàn)觀察誤差。建議選用pH 計測量各溶液中pH 值的變化，不僅操作便捷，能連續(xù)測定一系列數(shù)據(jù)，而且還能讓學生體驗科技進步給實驗研究帶來的便利。

在方案實施及結果討論中，學生能逐漸掌握基本的科學研究方法，提升創(chuàng)新能力，并能更好地認識到在解決問題的過程中，通過“預實驗”對問題解決的具體操作進行預判，能提高解決問題的效率。

3 分析實驗結果，培養(yǎng)科學思維

實驗結果的分析，是科學研究的重要組成部分。通過逐滴加入酸或堿，觀察并記錄實驗結果，將定性的實驗轉變?yōu)槎康膶嶒灒荏w現(xiàn)生物學的學科性質。科學研究中記錄數(shù)據(jù)，并不能直接地體現(xiàn)規(guī)律，但將數(shù)據(jù)轉化為圖表，就能更為直觀地反映數(shù)據(jù)的特征，找到數(shù)據(jù)的變化趨勢，幫助研究者客觀地得出結論。

圖1 各待測液pH 值變化情況示意圖

由圖1可知，隨著HCl 溶液加入量不斷增加，蒸餾水的pH 值迅速下降，蒸餾水不具備緩沖能力。此時，PBS 溶液和兔新鮮血漿的pH 值緩慢降低，說明兔新鮮血漿和PBS 溶液對外來酸性物質的緩沖能力比蒸餾水強。在第9 次加入HCl 溶液（共加入90 μL）后，PBS 的緩沖能力迅速降低，說明此時10 mL 的PBS 體系有效維持穩(wěn)定狀態(tài)的能力喪失，而兔新鮮血漿的pH 值一直保持緩慢降低的趨勢，在繼續(xù)加入HCl 后，也沒有完全喪失緩沖的能力。

隨著NaOH 加入量的不斷增加，蒸餾水、PBS溶液、兔新鮮血漿的pH 值呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢。在第1 次加入NaOH 時，10 mL 體系的蒸餾水緩沖能力已“崩潰”；在第2 次加入NaOH 后，10 mL PBS 體系的pH 值急劇上升，說明緩沖能力也即將“崩潰”；而兔新鮮血漿在多次加入NaOH后，pH 值一直保持緩慢上升的趨勢，說明其一直保持著緩沖的能力，且兔新鮮血漿在抵抗酸堿的能力表現(xiàn)上較為一致，但PBS 溶液和蒸餾水抗酸的能力強于抗堿的能力。通過將實驗數(shù)據(jù)轉換為圖表（圖1），學生能真實地觀察到各待測液pH 值的線性變化，認識到數(shù)據(jù)處理的重要意義。

科學思維是生物學核心素養(yǎng)的重要組成部分，基于事實和證據(jù)，運用分析綜合、抽象概括、推理論證等方法，進行理性分析，探討、闡釋生命現(xiàn)象和規(guī)律。根據(jù)酸、堿的加入量和pH 值測定值，基于實驗收集的事實（數(shù)據(jù)），將圖表轉換為坐標曲線圖，直觀呈現(xiàn)pH 值變化趨勢，能清晰比較不同溶液的緩沖能力；利用不同溶液的體系“崩潰點”，根據(jù)超過一定范圍發(fā)生穩(wěn)態(tài)“崩潰”的現(xiàn)象，探討緩沖體系在維持穩(wěn)態(tài)上的有限性，更好地理解內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的相對性，學會辯證地看待事物的發(fā)展。綜合分析得到結論，3 種不同的實驗溶液，溶液體系所含成分越復雜，維持pH 值穩(wěn)定的能力越強。在抵抗外來酸、堿的能力上，新鮮兔漿>PBS 溶液>蒸餾水，即在有外來干擾時，新鮮兔血漿能較好地維持體系相對的穩(wěn)定狀態(tài)。

結合實驗探究的結論，幫助學生更好地理解機體調(diào)節(jié)酸堿平衡最迅速的途徑是血液緩沖系統(tǒng)。人體在新陳代謝過程中，會產(chǎn)生乳酸、碳酸等酸性物質，但正常人的動脈血pH 值仍為7.35～7.45，不會因酸性或堿性的物質進入血液而引起pH 值的較大波動。血漿中足夠濃度及適當比例的共軛酸堿對能清除酸（堿）物質，最終通過肺和腎的調(diào)節(jié)作用排出體外，維持機體pH 值的穩(wěn)態(tài)。該實驗的開展，為進一步理解“生物個體通過一定的調(diào)節(jié)機制保持穩(wěn)態(tài)”的大概念奠定了基礎。