汪志偉

［摘要］ 本文探討“滲透作用”實驗的創(chuàng)新改進，包括實驗裝置、實驗材料、實驗試劑等的創(chuàng)新改進，通過將教材實驗插圖設(shè)計成以學(xué)生為主導(dǎo)、以問題為導(dǎo)向的探究實驗，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力，并對實驗的可行性和可推廣性進行了總結(jié)分析。

［關(guān)鍵詞］ 高中生物學(xué)；浙科版；滲透作用；實驗創(chuàng)新；探究應(yīng)用

高中生物學(xué)倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生主動參與探究過程，逐步培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理科學(xué)信息、分析和解決問題、交流與合作等方面的能力，重視培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)新精神和實踐能力?！拔镔|(zhì)跨膜擴散”是浙科版高中生物學(xué)必修1“物質(zhì)通過多種方式出入細胞”一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，旨在讓學(xué)生通過分析實驗現(xiàn)象，認識半透膜及滲透作用，為學(xué)習(xí)“動植物細胞失水和吸水”打好基礎(chǔ)。教材提供的實驗插圖大致可描述為在盛有清水的燒杯上用玻璃棒懸掛一個透析袋，透析袋中裝有一定濃度的溶液，然后觀察透析袋體積前后是否發(fā)生變化，同時留意透析袋內(nèi)外顏色的變化。該實驗設(shè)計簡單、操作方便，但在實際操作中透析袋體積的變化不夠明顯，實驗現(xiàn)象不易察覺，導(dǎo)致學(xué)生缺少直觀體驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。因此，筆者嘗試從實驗裝置、半透膜材料、試劑等角度對該實驗進行了創(chuàng)新改進，改進后可在短時間內(nèi)觀察到明顯的實驗現(xiàn)象，并輔以可進行實際操作的探究實驗，促進學(xué)生對本節(jié)重要概念的生成與內(nèi)化。

一、實驗設(shè)計的目的性和科學(xué)性

教材中滲透作用實驗僅以插圖的形式呈現(xiàn)，學(xué)生難以從中觀察到明顯的實驗現(xiàn)象；采用透析袋充當(dāng)半透膜，學(xué)生不明白透析袋與生物膜在功能上有什么等同性。于是，筆者改用雞蛋卵殼膜來代替透析袋，雞蛋卵殼膜通透性接近生物膜，實驗效果顯著。同時，筆者引導(dǎo)學(xué)生用中性筆的筆筒、橡皮筋等生活中的常見物品來組裝滲透裝置，用帶有顏色的紅糖水代替教材所用的淀粉溶液。在中性筆筆筒外用尺子畫上刻度，就可以更方便地觀察單位時間內(nèi)液面上升的高度。紅糖水中的蔗糖分子不能透過雞蛋卵殼膜，無毒且有明顯的深紅色，易被觀察。綜上，筆者所做的一系列實驗改進旨在提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，實現(xiàn)培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的育人目標(biāo)。

二、實驗設(shè)計的創(chuàng)新性

1.實驗裝置的創(chuàng)新改進

教材中提到的實驗裝置有燒杯、玻璃棒、透析袋，同時要求學(xué)生通過觀察透析袋體積變化來認識滲透作用，而透析袋體積變化并不易被察覺。筆者采用生活中常見的筆筒（去掉兩端，保留兩端開口）、橡皮筋、燒杯等來改進實驗裝置。用橡皮筋將雞蛋卵殼膜扎在筆筒有螺紋的一端；筆筒一端有螺紋更容易固定半透膜，而且筆筒的內(nèi)徑相對較小，筆筒內(nèi)溶液體積輕微的變化就可以很快通過筆筒內(nèi)液柱的上升反映出來，從而縮短實驗時間，實驗現(xiàn)象更為明顯。在筆筒身上用尺子畫刻度，學(xué)生便于準(zhǔn)確讀取單位時間內(nèi)液面上升高度的實驗數(shù)據(jù)。如此一來，本實驗裝置既可用來做定性實驗，也可用來做定量實驗，有助于學(xué)生透徹理解滲透作用的原理，為后續(xù)教學(xué)做好鋪墊。

2.實驗材料的創(chuàng)新改進

教材插圖中采用透析袋充當(dāng)半透膜，學(xué)生對透析袋相對陌生，透析袋不僅屬于非生物，而且這種材料的通透性不強。在課前預(yù)實驗中筆者發(fā)現(xiàn)，雞蛋卵殼膜的通透性大于透析袋，并且雞蛋卵殼膜接近生物膜，更容易讓學(xué)生理解半透膜的特征。實驗用雞蛋卵殼膜的制作過程：挑選新鮮的大雞蛋，打破，倒掉蛋黃和蛋清，把蛋殼用清水沖洗干凈并保護卵殼膜的完整性；用鑷子直接撕取卵殼膜，將完好的卵殼膜浸泡在清水中備用；注意每次撕取的卵殼膜面積不必過大，因為中性筆筆筒管徑不大，保證夠用就可以。

教材實驗中使用的是淀粉，需要染色劑碘液，碘液量控制不好會導(dǎo)致實驗現(xiàn)象很難被觀察清楚，因此改用紅糖水來代替。紅糖在生活中十分常見，這樣筆筒管內(nèi)的液柱顏色呈深紅色，更利于實驗現(xiàn)象的觀察。筆者通過課前預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)隨著紅糖溶液濃度的升高，滲透作用增強。當(dāng)紅糖溶液濃度從0.5g/mL增至 0.6g/mL時，筆筒管內(nèi)液柱上升高度逐漸減小，說明蔗糖溶液濃度過高，滲透作用減弱。因此，在選用雞蛋卵殼膜做半透膜實驗材料時，紅糖溶液濃度控制在0.5g/mL-0.55g/mL，滲透效果更好。

三、改進實驗裝置的應(yīng)用

1.“探究滲透作用發(fā)生的條件”實驗

本實驗通過改進實驗裝置來探究滲透作用條件，促進學(xué)生對滲透作用概念的理解。實驗材料：紅糖（蔗糖）、清水、雞蛋卵殼膜、保鮮膜（任何物質(zhì)不透）、中性筆筆筒（若干支）、滴管、記號筆、燒杯、直尺等。

實驗步驟：取3支中性筆筆筒，并編號A、B、C；在

A、C筆筒一端開口（有螺紋）處用皮筋扎好半透膜，B組一端開口處扎好保鮮膜；用滴管向A、B筆筒中加入等量的紅糖水，用滴管向C組筆筒中加入等量的清水，用記號筆做好液面的初始位置標(biāo)記，將三支筆筒封口一端放入裝有水的燒杯中（燒杯中水位與筆筒內(nèi)液面處持平），用鐵架臺盡量保持筆筒管內(nèi)外液面平衡，如圖1。放置2分鐘后，做好液面變化后的位置標(biāo)記；觀察并分析實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論。

實驗結(jié)果如下：A組筆筒管內(nèi)液面上升最快，B和C組筆筒管內(nèi)液面沒有上升。A組和B組對照說明了滲透作用的發(fā)生需要半透膜。A組和C組對照說明了當(dāng)半透膜兩側(cè)溶液出現(xiàn)濃度差時，滲透作用就會發(fā)生，水從水分子數(shù)的相對高的一側(cè)向相對低的一側(cè)滲透，從而總結(jié)出滲透作用發(fā)生的兩個條件：半透膜和濃度差。

學(xué)生分析A組實驗現(xiàn)象，思考以下問題：（1）A筆筒管內(nèi)液面上升到什么時候停止，為什么？（2）筆筒管內(nèi)液面停止上升時水分子有進出半透膜嗎？假設(shè)桌面上有一杯水，水是靜止的，但水分子呢？

2.“探究雞蛋卵殼膜是一種半透膜”實驗

改用蛋白質(zhì)溶液、淀粉溶液和葡萄糖溶液作為實驗試劑進行設(shè)計。實驗步驟：取3支中性筆筆筒，并編號A、B、C；在A、B、C筆筒一端開口處用皮筋扎好半透膜；用滴管向A、B、C筆筒管中分別加入等量的蛋白質(zhì)溶液、淀粉溶液和葡萄糖溶液，用記號筆做好液面的初始位置標(biāo)記，將三支筆筒封口一端放入裝有水的燒杯中（燒杯中水位與筆筒上的標(biāo)記處持平），用鐵架臺盡量保持筆筒管內(nèi)外液面平衡；放置10分鐘后，做好液面變化后的位置標(biāo)記，分別從三個燒杯中取出適量溶液，用雙縮脲試劑、碘液和本尼迪特試劑進行顏色鑒定；觀察并分析實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論。

從實驗結(jié)果可以看出，蛋白質(zhì)和淀粉等大分子物質(zhì)不能通過雞蛋卵殼膜，而葡萄糖、水等小分子物質(zhì)能通過雞蛋卵殼膜，這證明雞蛋卵殼膜是一種半透膜。

3.類比遷移“探究植物細胞吸水和失水”實驗

利用改進的實驗裝置探索滲透作用的條件，然后引導(dǎo)學(xué)生以類比遷移的方式思考動植物細胞吸水、失水的原理和條件，找出物理滲透模型裝置與植物細胞吸水、失水裝置的相似性。圖2顯示大液泡的體積幾乎占到成熟植物細胞總體積的90%以上，植物細胞吸水和失水幾乎都與液泡中的細胞液有關(guān)。若將植物細胞放在清水中，則會發(fā)現(xiàn)植物細胞相當(dāng)于底部蒙有半透膜的盛放40%紅糖溶液的筆筒管，原生質(zhì)層相當(dāng)于筆筒管底部的半透膜，細胞液相當(dāng)于筆筒管內(nèi)的溶液，清水相當(dāng)于外界溶液。因此，將細胞膜、液泡膜及兩層膜之間的細胞質(zhì)稱為原生質(zhì)層，這就相當(dāng)于半透膜。當(dāng)植物細胞在一定濃度的溶液中發(fā)生了滲透吸水或失水，同時由于原生質(zhì)層的伸縮性大于細胞壁的伸縮性，就會出現(xiàn)原生質(zhì)層與細胞壁的分離，以及質(zhì)壁分離后的復(fù)原。

現(xiàn)將“探究植物細胞吸水和失水”實驗科學(xué)探究的過程總結(jié)如下。第一步，提出問題：植物細胞吸水和失水的條件是什么？第二步，提出假設(shè)：當(dāng)細胞液濃度低于外界溶液濃度時，細胞就會失水引起質(zhì)壁分離；當(dāng)外界溶液濃度低于細胞液濃度時，細胞就會吸水膨脹。第三步，實驗設(shè)計：材料選擇（植物細胞選材有什么要求）—自變量控制（外界溶液濃度應(yīng)該怎么設(shè)置）—因變量控制（細胞發(fā)生失水或者吸水觀察到的現(xiàn)象是什么）。第四步，實驗驗證：結(jié)合植物細胞的質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象的實驗操作及演示視頻，思考（1）在

蓋玻片下又是如何實現(xiàn)將高濃度蔗糖溶液換成清水的？（2）植物細胞質(zhì)壁分離過程中，有水分子進入細胞嗎？吸水能力會如何變化？（3）質(zhì)壁分離復(fù)原很長一段時間后，當(dāng)植物細胞停止膨脹時，細胞液濃度與外界濃度大小有怎樣的變化？

按照類比遷移的方法，以滲透裝置和滲透現(xiàn)象發(fā)生的條件為參照點，學(xué)習(xí)植物細胞的吸水和失水，完成“植物細胞的原生質(zhì)層是一層選擇透過性膜”這一核心知識的建構(gòu)。學(xué)生通過觀察分析植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原的現(xiàn)象，獲得細胞吸水、失水與外界溶液濃度關(guān)系的感性認識，進而深入理解“成熟的植物細胞是一個滲透系統(tǒng)”及“影響細胞滲透吸水失水的內(nèi)外條件”。

綜上所述，改進后的實驗裝置有助于學(xué)生在較短的時間內(nèi)觀察到明顯的實驗現(xiàn)象，操作簡便，實驗所需儀器多為生活中常見的物品，具有易操作性。改進后的實驗操作簡單，實驗現(xiàn)象直觀，有助于學(xué)生深入理解滲透作用的原理，為接下來學(xué)習(xí)動植物細胞失水和吸水原理奠定基礎(chǔ)。同時，學(xué)生在實驗中能夠發(fā)揮主觀能動性，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度，提高自主探究能力。