江蘇 章 青

科學(xué)探究是學(xué)科核心素養(yǎng)之一，教師在實驗教學(xué)中，根據(jù)實驗中出現(xiàn)的問題進行再探究，以及對實驗的改進與拓展，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的一個重要途徑。探究實驗的基本流程為提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計實驗、進行實驗、分析結(jié)果與得出結(jié)論、表達(dá)和交流、進一步探究。而“進一步探究”環(huán)節(jié)往往被忽視，“進一步探究”是對所進行實驗中存在的問題進行再探究，包括對實驗過程的優(yōu)化、實驗材料與試劑的優(yōu)選、實驗原理的拓展與應(yīng)用等。下面筆者以“植物細(xì)胞的吸水和失水”實驗為例來進行具體說明。

1.實驗原理分析

“植物細(xì)胞的吸水和失水”實驗的原理是滲透作用，發(fā)生滲透作用應(yīng)該具備兩個條件：半透膜以及半透膜兩側(cè)的溶液存在濃度差。因此在實驗原理分析時要將典型的滲透裝置與植物細(xì)胞所處的環(huán)境進行類比（如圖1），植物細(xì)胞的原生質(zhì)層相當(dāng)于滲透裝置中的半透膜，細(xì)胞液與外界溶液相當(dāng)于滲透裝置中半透膜兩側(cè)的溶液，如果細(xì)胞液與外界溶液之間存在濃度差，就可以發(fā)生滲透作用。

圖1

2.實驗過程剖析

植物細(xì)胞的細(xì)胞液與外界溶液之間是否能夠發(fā)生滲透作用，需通過設(shè)計實驗來進行驗證，實驗的基本步驟如圖2所示。

圖2

2.1 實驗過程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)

①在制作裝片時，應(yīng)用鑷子夾取蓋玻片，讓其一側(cè)接觸載玻片，并且接觸水滴，然后輕輕地放平，這樣可以防止氣泡產(chǎn)生。②實驗中三次使用顯微鏡觀察都是采用低倍鏡，不需要使用高倍鏡觀察。③兩次分別在蓋玻片的一側(cè)滴加蔗糖溶液與清水，在蓋玻片的另一側(cè)用吸水紙吸引，這種操作需要重復(fù)幾次，才能使洋蔥表皮細(xì)胞周圍充滿相應(yīng)的液體。

2.2 實驗異常分析

如果在實驗過程中發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞在滴加清水后不能發(fā)生質(zhì)壁分離的復(fù)原，則表明植物細(xì)胞失水過多死亡，可能是植物細(xì)胞質(zhì)壁分離后放置時間過長，或者是蔗糖溶液濃度過高造成的。

2.3 實驗中是否有對照實驗

該實驗共進行三次觀察，第一次觀察是清水制作的裝片，即自然狀態(tài)下的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞；第二次觀察是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3 g/mL的蔗糖溶液處理后發(fā)生質(zhì)壁分離的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞；第三次觀察是用清水處理后發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞。這里包含兩次對照實驗：第一次（對照組）與第二次（實驗組）進行對照，第二次（對照組）與第三次（實驗組）進行對照，該實驗是前后對照，并不需要單獨設(shè)置空白對照。

3.實驗改進

3.1 實驗分析

教材上使用紫色洋蔥鱗片葉外表皮進行實驗，紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞由于液泡中含有紫色的色素，并且液泡在成熟植物細(xì)胞中占據(jù)的體積為90%以上，因此，可通過觀察紫色范圍大小的改變程度來判斷質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離的復(fù)原的程度。但仔細(xì)分析細(xì)胞的結(jié)構(gòu)會發(fā)現(xiàn)，液泡呈紫色（如圖3），發(fā)生質(zhì)壁分離時紫色部分并不包括原生質(zhì)層，由于原生質(zhì)層是無色的（如圖4），就被認(rèn)定為是外界溶液，這顯然是不科學(xué)的，如何避免出現(xiàn)這種情況呢?筆者認(rèn)為可以進行再探究，嘗試從實驗材料與實驗試劑上對實驗進行優(yōu)化。

圖3 正常的植物細(xì)胞

圖4 質(zhì)壁分離的植物細(xì)胞

3.2 實驗材料的改進

在實驗中可以選用無色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞作為材料，在含紅墨水的蔗糖溶液中，通過顯微鏡可觀察到很明顯的無色洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離復(fù)原的現(xiàn)象。這種方法的優(yōu)點：第一是撕取洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮比撕取外表皮更容易得到單層細(xì)胞，操作方便；第二是質(zhì)壁分離后呈紅色的部分是外界溶液，而無色的部分是原生質(zhì)體，即包括細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、液泡等結(jié)構(gòu)，這樣觀察到的無色部分的最外邊界，即細(xì)胞膜，使得實驗更加科學(xué)合理。

此外還可以利用黑藻或苔蘚的葉片來進行實驗，雖然黑藻與苔蘚葉肉細(xì)胞沒有紫色液泡，但并不影響觀察質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離復(fù)原的現(xiàn)象，因為黑藻與苔蘚液泡周圍的細(xì)胞質(zhì)中布滿了葉綠體，幾乎整個細(xì)胞都是綠色的，與無色的外界溶液有明顯區(qū)別，很容易觀察到質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離復(fù)原的現(xiàn)象，并且綠色的部分是原生質(zhì)體，而無色的部分是外界溶液，這樣就不會將原生質(zhì)層誤認(rèn)為是外界溶液了。

3.3 實驗試劑的改進

蔗糖溶液帶有一定的黏性，操作不當(dāng)會污染物鏡且不容易清洗，影響實驗器材的使用。筆者發(fā)現(xiàn)用食鹽作為溶質(zhì)配制質(zhì)壁分離試劑比用蔗糖溶液更好，如果用洋蔥表皮細(xì)胞做實驗，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～4%的食鹽溶液是比較適合的，標(biāo)本浸泡2分鐘后質(zhì)壁分離現(xiàn)象逐漸明顯。當(dāng)然在實驗前教師要根據(jù)實際材料的不同先進行預(yù)實驗，找到適宜濃度的食鹽溶液。在以無色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞為材料進行實驗時，還可以在蔗糖溶液中滴加紅墨水。在實驗中也可以使用濃度為0.07 g/mL～0.13 g/mL的KNO3溶液替代蔗糖溶液進行實驗，由于KNO3溶液中的K+與可被洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞吸收而導(dǎo)致質(zhì)壁分離后自動復(fù)原，這樣可以省去滴加清水使發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞再復(fù)原的步驟，使實驗時間縮短。

【例1】在進行質(zhì)壁分離實驗時，有學(xué)生用兩種方法進行實驗：①用紫色的洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞及0.3 g/mL蔗糖溶液；②用無色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞及與0.3 g/mL蔗糖溶液等滲的胭脂紅溶液（胭脂紅是一種水溶性的大分子食用色素，呈紅色）。結(jié)果如圖5所示，下列有關(guān)敘述正確的是（ ）

圖5

A.測定液泡大小變化最好選用方法②

B.兩種方法中細(xì)胞液中的水分子都是從內(nèi)向外運動

C.①中的紫色與②中的無色部位的結(jié)構(gòu)不完全相同

D.測定原生質(zhì)層與細(xì)胞壁間的分離程度最好選用方法①

【答案】C

【分析】此題是將常規(guī)實驗材料與改進的實驗材料進行比較，想答對這道題必須明確液泡的外面還有一薄層的原生質(zhì)層，這是在用紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞作為實驗材料的實驗中觀察不到的。

4.實驗拓展與應(yīng)用

4.1 判斷成熟植物細(xì)胞的死活

死細(xì)胞、動物細(xì)胞及未成熟的植物細(xì)胞（如根尖分生區(qū)細(xì)胞）不發(fā)生質(zhì)壁分離及復(fù)原現(xiàn)象，只有具有中央大液泡的成熟植物細(xì)胞可發(fā)生質(zhì)壁分離及復(fù)原現(xiàn)象。因此，可以應(yīng)用質(zhì)壁分離與復(fù)原實驗判斷一個成熟的植物細(xì)胞是死細(xì)胞還是活細(xì)胞。

4.2 判斷質(zhì)壁分離實驗試劑類別

成熟植物細(xì)胞在一定濃度（溶質(zhì)不能透過膜結(jié)構(gòu)）的溶液中只會發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，不能發(fā)生自動復(fù)原現(xiàn)象，只有用清水或低滲溶液處理才能復(fù)原，如蔗糖不能通過洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞。在一定濃度的溶質(zhì)可透過膜的溶液中，如KNO3、尿素、甘油等溶液，進行實驗時可發(fā)生質(zhì)壁分離后自動復(fù)原的現(xiàn)象。在高濃度溶液中可發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，但由于過度失水而使細(xì)胞死亡，原生質(zhì)層失去了選擇透過性，則不會發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原的現(xiàn)象。

【例2】圖6為某同學(xué)利用紫色洋蔥鱗片葉作為實驗材料，觀察植物細(xì)胞質(zhì)壁分離與復(fù)原的基本操作步驟。下列相關(guān)敘述錯誤的是（ ）

圖6

A.d和b形成對照，f和d形成對照

B.該實驗可觀察到液泡的顏色和大小

C.將蔗糖溶液換成濃度適宜的KNO3溶液，則可以省略e步驟

D.增大蔗糖溶液的濃度，實驗效果會更明顯且不影響細(xì)胞的活性

【答案】D

【分析】此實驗中的前后觀察互為對照。如果將蔗糖溶液換成濃度適宜的KNO3溶液，由于在細(xì)胞失水的同時，不斷以主動運輸?shù)姆绞将@得K+和NO-3，導(dǎo)致細(xì)胞液濃度升高，當(dāng)細(xì)胞液濃度大于外界溶液濃度時，細(xì)胞開始吸水，從而出現(xiàn)質(zhì)壁分離自動復(fù)原的現(xiàn)象。如果蔗糖溶液的濃度過高，會導(dǎo)致細(xì)胞因過度失水而死亡。

4.3 測定細(xì)胞液濃度

配制一系列濃度梯度的蔗糖溶液，分別制作待測成熟植物細(xì)胞的臨時裝片，觀察裝片中待測成熟植物細(xì)胞的狀態(tài)。細(xì)胞液濃度介于未發(fā)生質(zhì)壁分離和剛發(fā)生質(zhì)壁分離的蔗糖溶液濃度之間。

【例3】為探究植物甲能否移植到甲地生長，某生物學(xué)研究性學(xué)習(xí)小組通過實驗測定了植物甲細(xì)胞液的濃度，實驗結(jié)果如下表所示。為保證植物甲移植后能正常生存，則甲地土壤溶液的濃度應(yīng)為（ ）

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】通過實驗得知植物甲的細(xì)胞液濃度介于不發(fā)生質(zhì)壁分離與剛分離之間（0.15 mol/L～0.2 mol/L），由于這是移栽植物，植物需要吸收水分，因此甲地的土壤溶液濃度應(yīng)小于等于0.15 mol/L。

4.4 破壞原生質(zhì)層對實驗的影響

質(zhì)壁分離與復(fù)原的前提條件是原生質(zhì)層有活性，如果用酸、堿或高溫破壞原生質(zhì)層，原生質(zhì)層便會失去選擇透過性，就不能發(fā)生質(zhì)壁分離或質(zhì)壁分離的復(fù)原。如果用高濃度溶液處理細(xì)胞會使細(xì)胞過度失水而死亡，高溫、酸或堿處理細(xì)胞會使細(xì)胞死亡，從而導(dǎo)致原生質(zhì)層被破壞，生物膜失去選擇透過性，從而不能發(fā)生質(zhì)壁分離與復(fù)原現(xiàn)象，并且使細(xì)胞中的色素能夠從細(xì)胞中擴散到外界溶液中。

【例4】按下面步驟進行質(zhì)壁分離實驗，回答相關(guān)問題：步驟一：在潔凈的載玻片中央加一滴清水，取一片蘚類小葉，蓋上蓋玻片。

步驟二：從蓋玻片一側(cè)滴入0.3 g/mL的蔗糖溶液，在蓋玻片的另一側(cè)用吸水紙吸引。這樣重復(fù)幾次，使蓋玻片下面的蘚類小葉浸潤在0.3 g/mL的蔗糖溶液中。

步驟三：在顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖7所示。

圖7

（1）圖中A、B處的顏色分別是________。

（2）如果上述實驗步驟二中從蓋玻片的一側(cè)滴入的是加有伊紅（植物細(xì)胞不吸收的紅色染料）的0.3 g/mL的蔗糖溶液，則在顯微鏡下觀察到A、B處顏色分別是_________。

（3）如果用與0.3 g/mL的蔗糖溶液等滲的KNO3溶液中進行實驗會出現(xiàn)的現(xiàn)象是__________________。

（4）如果將步驟二中浸潤在0.3 g/mL的蔗糖溶液中的蘚類小葉的裝片，放在80℃條件下處理一段時間（裝片中的蘚類小葉保持在0.3 g/mL的蔗糖溶液中）。在顯微鏡下不能觀察到質(zhì)壁分離的復(fù)原，并且發(fā)現(xiàn)A處呈綠色，可能的原因是_______。

【答案】（1）無色、綠色 （2）紅色、綠色 （3）先發(fā)生質(zhì)壁分離，然后會自動發(fā)生質(zhì)壁分離的復(fù)原 （4）高溫下細(xì)胞膜、葉綠體膜失去選擇透過性，葉綠素等色素進入A處

總之，除對教材實驗流程要掌握外，還要對實驗原理進行細(xì)致分析，對實驗中出現(xiàn)的新問題進行再探究，對實驗試劑、材料、步驟根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況進行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上進行拓展與延伸，這樣不僅能使學(xué)生掌握實驗的基礎(chǔ)知識，也能夠提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。