滲透作用實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)便性改進(jìn)和數(shù)字化測(cè)量研究

王輝廣+曾喬

1 問(wèn)題的提出

滲透作用實(shí)驗(yàn)是高中生物的傳統(tǒng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)在學(xué)生理解滲透作用原理中有不可替代的作用。

通常完成此實(shí)驗(yàn)裝置需用到鐵架臺(tái)、燒杯、漏斗、玻璃紙（賽璐玢）等器材，其教學(xué)實(shí)驗(yàn)的可操作性比較差，成功率不高，現(xiàn)象也不理想。許多教師對(duì)實(shí)驗(yàn)用具、材料進(jìn)行了探索，對(duì)實(shí)驗(yàn)流程做了改進(jìn)，甚至還發(fā)明了替代實(shí)驗(yàn)裝置，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果始終不太理想。

實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該具備準(zhǔn)備簡(jiǎn)單，成功率高，效果明顯，操作時(shí)簡(jiǎn)便易行等特點(diǎn)。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料、用具的選擇

用作半透膜的材料有很多，理想的半透膜材料，需具備簡(jiǎn)便易得、不易破裂的特性。

目前使用的半透膜材料有腸衣、魚(yú)鰾、雞蛋的卵殼膜、動(dòng)物的膀胱等生物材料，或者是火棉膠、玻璃紙（賽璐玢）等非生物材料。用膀胱膜、腸衣、花生米皮作為半透膜，取材處理不太容易，而非生物材料學(xué)生不容易理解，故本次實(shí)驗(yàn)采用的是雞蛋的卵殼膜作為半透膜。

2.2 研究方法

2.2.1 半透膜的制備方法

取一枚生雞蛋，將雞蛋用硬物的邊沿碰裂，對(duì)半掰開(kāi)雞蛋，倒出蛋清和蛋黃，將蛋殼用緩慢的流水沖洗干凈，置于食醋原液中浸泡，定期攪拌。一段時(shí)間后，用清水清洗干凈，輕輕敲碎蛋殼邊沿，撕取卵殼膜，用水清洗干凈并置于清水中待用。

在制備過(guò)程中，氣室部分容易分離成兩層并擴(kuò)大，宜先用尖銳物（牙簽等）刺破再泡入醋酸中。

制備流程可表示為：

敲→掰→洗→泡→洗→敲→撕→洗→備用。

2.2.2 紅色蔗糖溶液的配制

用白糖分別配制0.3 g/mL、0.4 g/mL、0.5 g/mL、0.6 g/mL、0.7 g/mL 5個(gè)濃度梯度的蔗糖溶液，滴入等量紅墨水，使之呈紅色。

2.2.3 紅糖溶液的配制

用紅糖分別配制0.3 g/mL、0.4 g/mL、0.5 g/mL、0.6 g/mL、0.7 g/mL 5個(gè)濃度梯度的紅糖溶液，由于紅糖自身帶有顏色，無(wú)需另外加色。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)分組方法

本次實(shí)驗(yàn)中采用食醋原液分別浸泡雞蛋殼5 min、10 min、15 min，清洗干凈后撕取卵殼膜，做3個(gè)平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后取3次實(shí)驗(yàn)的平均值。分別用0.3 g/mL、0.4 g/mL、0.5 g/mL、0.6 g/mL、0.7 g/mL 5個(gè)濃度梯度的紅色蔗糖溶液和紅糖溶液進(jìn)行滲透作用實(shí)驗(yàn)，每種溶液的每個(gè)濃度梯度做3個(gè)平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后取3次實(shí)驗(yàn)的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 浸泡時(shí)間的選擇

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在制取卵殼膜時(shí)，食醋浸泡的時(shí)間在5 min是最適宜的。

本次實(shí)驗(yàn)中采用總酸度大于9 mg/mL的食醋原液分別浸泡雞蛋殼5 min、10 min、15 min，清洗干凈后撕取卵殼膜，用0.5 g/mL紅色蔗糖溶液對(duì)卵殼膜做滲透作用實(shí)驗(yàn)。做3個(gè)平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后取3次實(shí)驗(yàn)的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)分析如圖2所示。

從表1圖2中的數(shù)據(jù)可以看出，食醋原液浸泡時(shí)間在5 min的滲透作用高度差最大，效果比浸泡10 min、15 min的效果要好，可能是浸泡時(shí)間長(zhǎng)，食醋對(duì)卵殼膜的結(jié)構(gòu)或分子結(jié)構(gòu)有破壞作用。從撕取卵殼膜的過(guò)程難易程度來(lái)看，基本無(wú)差別。因此，隨后的實(shí)驗(yàn)中，均采用食醋原液浸泡雞蛋殼5 min來(lái)獲取卵殼膜。

3.2 蔗糧溶液濃度的選擇

配制紅色蔗糖溶液0.3 g/mL、0.4 g/mL、0.5 g/mL、0.6 g/mL、0.7 g/mL 5個(gè)濃度梯度，每個(gè)濃度梯度做3個(gè)平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后取3次實(shí)驗(yàn)的平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，作圖分析如圖3所示。

由圖3中曲線分析可知，5個(gè)濃度的蔗糖溶液在滲透裝置中均有上升，以0.5 g/mL上升最明顯，速度最快。0.3～0.5 g/mL濃度都可以選擇，但以0.5 g/mL濃度為最佳。0.6 g/mL、0.7 g/mL的實(shí)驗(yàn)效果與預(yù)想的卻剛好相反，這很有可能是糖溶液濃度過(guò)高時(shí)，溶液幾乎達(dá)到粘稠狀，反而不利于水分子的進(jìn)入。水溶解糖也是需要時(shí)間和能量的，因此在做滲透作用實(shí)驗(yàn)時(shí)，并非濃度越高實(shí)驗(yàn)效果越明顯，其中高于0.6 g/mL濃度溶液時(shí)滲透現(xiàn)象反而變?nèi)醯脑碛写M(jìn)一步探究。

3.3 紅糖溶液濃度的選擇

取紅糖配制成溶液濃度為0.3 g/mL、0.4 g/mL、0.5 g/mL、0.6 g/mL、0.7 g/mL的5個(gè)梯度，每組做3個(gè)平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，再取平均值后得到數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表3，數(shù)據(jù)分析圖如圖4所示。

從圖4中可以看出紅糖溶液的實(shí)驗(yàn)效果總體是比較理想的，紅糖配制成溶液呈棕色，不需要用紅墨水進(jìn)行染色，所以比用紅墨水染色的蔗糖溶液配制更簡(jiǎn)單。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，紅糖濃度為0.4 g/mL時(shí)實(shí)驗(yàn)效果最好，45 min后液面高度最高可以達(dá)到7 cm，比初始液面上升1 cm，方便觀察。從時(shí)間來(lái)說(shuō)，液面上升也比最快，所以紅糖溶液選取的濃度在0.4 g/mL最適宜。在高濃度的情況下出現(xiàn)了和紅墨水蔗糖溶液實(shí)驗(yàn)中相同的情況，即糖溶液濃度過(guò)高時(shí)，滲透作用的高度和速度反而降低。這可能和溶液粘稠度有關(guān)，有關(guān)原理還需進(jìn)一步探討。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新

4.1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

由于課本實(shí)驗(yàn)中漏斗管沒(méi)有刻度，對(duì)滲透作用的現(xiàn)象只能限于定性的描述，不利于精確表述結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中筆者用橡皮筋將塑料管綁在刻度尺上來(lái)標(biāo)記刻度并測(cè)量滲透作用發(fā)生時(shí)液面的變化，使結(jié)果能夠精確地用數(shù)字來(lái)量化。

4.2 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

本實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)流程。用一次性杯或廢棄的礦泉水瓶（剪去瓶蓋）當(dāng)燒杯使用，用管徑小于1 cm的透明塑料吸管代替長(zhǎng)頸漏斗，卵殼膜等材料來(lái)源廣泛，容易取得，成本低廉，環(huán)保節(jié)約，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)便。

本實(shí)驗(yàn)改用塑料管后，蔗糖溶液的使用量極大減少，只需用小燒杯或膠頭滴管通過(guò)塑料管口滴注便可，降低了操作的難度，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

半透膜改用雞蛋卵殼膜，屬于生物材料。在蔗糖溶液中滴入紅墨水，或者使用紅糖水，由于溶液呈現(xiàn)了紅色，色彩對(duì)比明顯，效果十分理想。

實(shí)驗(yàn)中我們改用橡皮筋捆扎，由于橡皮筋有彈性，使得半透膜與塑料管緊密結(jié)合，溶液不會(huì)滲漏，保證了實(shí)驗(yàn)的成功。

實(shí)驗(yàn)中半透膜合理使用，4人共用1個(gè)雞蛋的卵殼膜，效果顯著且節(jié)省材料。

將演示實(shí)驗(yàn)變?yōu)榉纸M實(shí)驗(yàn)或家庭實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖6所示，啟發(fā)了實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)材料、裝置、流程、結(jié)果的探究。

5 展望

筆者在實(shí)驗(yàn)研究中大膽地?fù)Q用了課本中難以找到的材料，與我們生活中的知識(shí)和智慧相互融合，這是將來(lái)可以繼續(xù)開(kāi)展生物實(shí)驗(yàn)探討的一個(gè)方向。

5.1 試劑適合濃度的探索與時(shí)間效率的提高

由于滲透作用的實(shí)驗(yàn)是用宏觀的現(xiàn)象來(lái)顯示微觀的進(jìn)程，微觀進(jìn)程需積累到一定程度才能在宏觀中體現(xiàn)出來(lái)，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要時(shí)間。本次實(shí)驗(yàn)要觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)效果需要約30 min的時(shí)間，制取半透膜也需耗時(shí)約5 min以上，時(shí)間效率還需進(jìn)一步提高。實(shí)驗(yàn)所用醋酸是總酸度≥9.0 g/100 mL的食醋原液，還需要進(jìn)一步探索適合的濃度以提高實(shí)驗(yàn)效率。

[STHZ]5.2 在滲透作用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)糖水濃度并非越高實(shí)驗(yàn)效果越明顯

其中0.6 g/mL、0.7 g/mL濃度的紅墨水蔗糖溶液滲透現(xiàn)象反而變?nèi)?，在紅糖溶液中，0.6 g/mL、0.7 g/mL滲透作用的高度和速度反而不及0.4 g/mL時(shí)明顯。這可能和溶液粘稠度有關(guān)，其原理有待進(jìn)一步探究。

收稿日期：2016-10-05