基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”的改進(jìn)

劉慧++趙蘋(píng)

探究“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”是人教版教材必修一第6章“細(xì)胞增殖”中的模擬實(shí)驗(yàn)。教材中的實(shí)驗(yàn)方案是用含有酚酞的瓊脂塊模擬細(xì)胞，被吸收的物質(zhì)用NaOH模擬，酚酞遇NaOH顯示紫紅色，利用色帶的寬度來(lái)確定NaOH擴(kuò)散的深度，通過(guò)計(jì)算得出不同相對(duì)表面積的瓊脂塊吸收物質(zhì)的速率，間接說(shuō)明細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男誓芟拗破溟L(zhǎng)大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該方案操作繁瑣，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不穩(wěn)定，正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不易得出，經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐后筆者運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)的不足，直觀觀察到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得明顯的實(shí)驗(yàn)效果。

1 教材實(shí)驗(yàn)方案的缺陷

“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸關(guān)系”是定量分析的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)常需要精確到毫米級(jí)，試驗(yàn)過(guò)程中微小誤差都可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。課本的實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)程中需要對(duì)大小不等的瓊脂塊進(jìn)行翻動(dòng)、切割、測(cè)量，測(cè)量時(shí)瓊脂塊越小操作越困難，產(chǎn)生的誤差也越大。課本中實(shí)驗(yàn)方案是用邊長(zhǎng)為3 cm、2 cm、1 cm的正方體瓊脂塊模擬細(xì)胞的大小，實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)邊長(zhǎng)1 cm的瓊脂塊不到5 min就能全部變成紅色，學(xué)生無(wú)法測(cè)量出NaOH擴(kuò)散的實(shí)際深度，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在疑惑。甚至有些學(xué)生測(cè)得3種瓊脂塊中NaOH擴(kuò)散的深度不同（理論上應(yīng)該相同），計(jì)算歸納出與教材相反的結(jié)論。

細(xì)胞對(duì)物質(zhì)的吸收是一個(gè)相對(duì)連續(xù)的過(guò)程。課本實(shí)驗(yàn)只能測(cè)出一定時(shí)間內(nèi)物質(zhì)進(jìn)入瓊脂塊的速度，在測(cè)量時(shí)需將瓊脂塊切開(kāi)兩半，該瓊脂塊隨后無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此只獲得一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，易存在實(shí)驗(yàn)誤差。實(shí)驗(yàn)中使用的NaOH具有一定的腐蝕性，溶液使用量大，易潑灑出來(lái)接觸眼睛、皮膚和衣服，造成傷害。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路

利用電導(dǎo)率法測(cè)定物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男?，電?dǎo)率即為溶液傳導(dǎo)電流的能力。純水的電導(dǎo)率很小，當(dāng)水中含有無(wú)機(jī)酸、堿、鹽或有機(jī)帶電膠體時(shí)，溶解于水中的電解質(zhì)解離成正、負(fù)離子，電導(dǎo)率就增加；當(dāng)溶解于水中的電解質(zhì)濃度降低時(shí)，電導(dǎo)率下降。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和系統(tǒng)軟件等構(gòu)成，能夠?qū)⒒瘜W(xué)反應(yīng)以及現(xiàn)象的本質(zhì)轉(zhuǎn)化為同步監(jiān)測(cè)的信號(hào)。電導(dǎo)率法測(cè)定物質(zhì)運(yùn)輸簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，無(wú)需切割、測(cè)量，降低了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差，同時(shí)能直觀、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反映物質(zhì)進(jìn)入瓊脂塊后，溶液中物質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)連續(xù)變化過(guò)程。

用NaCl溶液代替NaOH。NaCl是實(shí)驗(yàn)室中的常規(guī)藥品，易稱(chēng)易配、安全可靠，減輕了老師和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的心理負(fù)擔(dān)。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別測(cè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.8%的NaCl溶液、放入3×3×3 cm的瓊脂塊的0.8%NaCl溶液、放有0.5×0.5×0.5 cm小瓊脂塊的0.8%NaCl溶液的電導(dǎo)率，比較單位時(shí)間內(nèi)電導(dǎo)率的降低幅度，能間接說(shuō)明細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸效率的關(guān)系。

3 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)

3.1 制作瓊脂塊

稱(chēng)取20 g瓊脂粉溶解于1 000 mL蒸餾水中，邊加熱邊攪拌，充分溶解煮沸后即可停止加熱。趁熱將以上瓊脂溶液緩慢倒入200×100 mm圓形水槽中。待其充分冷凝后，用小刀切出4塊等體積（3×3×3 cm）的瓊脂塊，將其中兩塊瓊脂塊再次切割成0.5×0.5×0.5 cm小瓊脂塊。

3.2 配制電解液

在1 000 mL蒸餾水中溶解6 gNaCl，用磁力攪拌器充分溶解、混勻。分別量取200 mL NaCl溶液分裝到3個(gè)250 mL燒杯中，編號(hào)1、2、3。1號(hào)燒杯中的NaCl溶液不做任何處理作為對(duì)照組，2號(hào)燒杯中加入兩塊3×3×3 cm的瓊脂塊，3號(hào)燒杯中加入0.5×0.5×0.5 cm的小瓊脂塊。

3.3 測(cè)量電導(dǎo)率

將數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和電導(dǎo)率傳感器（含電極）組裝連接好，打開(kāi)數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)，進(jìn)入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)，開(kāi)始測(cè)量三個(gè)燒杯中溶液的電導(dǎo)率，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需用玻棒輕輕攪拌瓊脂塊，攪拌時(shí)注意不要破壞瓊脂表面。

3.4 結(jié)果比較

課本實(shí)驗(yàn)方案需要進(jìn)行切割、測(cè)量，再依據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出表面積/體積和NaOH擴(kuò)散體積/總體積的比值（表1），而電導(dǎo)率測(cè)定法在連續(xù)測(cè)得準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用曲線圖直觀、明顯地展示出來(lái)（圖2），不需要再進(jìn)行數(shù)值的篩選與重組，輕而易舉看出模擬細(xì)胞體積越大，物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男示驮降?。endprint