“膜的透性”探究實驗的設(shè)計

郭琪琦

(廣東省深圳市第二實驗學(xué)校 518021) 劉香梅 (遼寧師范大學(xué)附屬中學(xué) 大連 116023)

“通過模擬實驗探究膜的透性”是課程標(biāo)準(zhǔn)中對“闡明質(zhì)膜具有選擇透過性”這一核心概念的活動建議。人教版生物學(xué)教材《分子與細(xì)胞》中提供了一套由長頸漏斗、燒杯、玻璃紙、蔗糖溶液和清水等組成的滲透裝置。由于這套實驗裝置存在操作較復(fù)雜、實驗現(xiàn)象不明顯和實驗時間較長等問題，很多教師對該實驗裝置進(jìn)行了改進(jìn)。例如，通過對比實驗發(fā)現(xiàn)雞蛋卵殼膜是實驗效果較好的生物材料[1]，用礦泉水瓶、塑料管自制裝置并加裝刻度尺使實驗結(jié)果量化[2]，甚至是將實驗裝置直接簡化為由雞蛋、培養(yǎng)皿組成等[3]。這些改進(jìn)使得該實驗不再是模擬實驗，而是使用真實的生物材料來探究膜的透性。

筆者在中國期刊網(wǎng)(CNKI)以“滲透裝置”為關(guān)鍵詞，搜集整理相關(guān)實驗研究論文后進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：教師在教材裝置得到改進(jìn)之后，幾乎所有的教師都仍然利用教材提供的蔗糖、清水進(jìn)行實驗，較少有教師在“膜的透性”這一問題上開展更多的探究。而長期以來，學(xué)生對于教材中關(guān)于“細(xì)胞膜的選擇透過性”這一核心概念的敘述：“這種膜可以讓水分子自由通過，一些離子和小分子也可以通過，而其他離子、小分子和大分子則不能通過?！币仓皇且环N較模糊的認(rèn)知[4]。因此，本文借鑒美國生物學(xué)實驗教材中利用透析袋探究膜的選擇透過性的實驗，設(shè)計出利用雞蛋卵殼膜探究“膜的透性”的實驗，用以幫助學(xué)生理解這一核心概念。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗原理 在原有實驗探究蔗糖分子、水分子能否透過生物膜的基礎(chǔ)上，增加3組實驗探究生物膜對淀粉、離子和葡萄糖的透性。涉及到的物質(zhì)檢測原理有：①碘檢測淀粉，向溶液中加入碘，如果溶液中存在淀粉，碘將變藍(lán)；②硝酸銀檢測氯離子，將硝酸銀加入含有氯離子的溶液中，溶液由澄清變?yōu)闇啙?；③斐林試劑檢測葡萄糖，如果溶液中含有葡萄糖，加入斐林試劑并經(jīng)水浴加熱后會出現(xiàn)磚紅色沉淀。

1.2 材料用具 雞蛋4枚、紅糖溶液(即蔗糖溶液，深色，便于實驗結(jié)果的觀察)、清水、碘液、淀粉溶液、硝酸銀溶液、氯化鈉溶液、葡萄糖溶液、斐林試劑、培養(yǎng)皿4個、泥三角(化學(xué)實驗室常用器具)4個。

1.3 實驗過程 具體實驗過程如下：

1.3.1 制備卵殼膜 雞蛋的卵殼膜厚約70 μm，分為外膜和內(nèi)膜，在雞蛋的鈍端，兩層膜分開形成氣室。去除鈍端蛋殼及其表面的卵殼膜外膜，以鈍端卵殼膜的內(nèi)膜作為半透膜。

具體的做法是：①用鑷子在雞蛋的銳端輕輕敲出一個小孔，然后將雞蛋的銳端朝下，在鈍端用剪刀尖處刺破一個洞以通氣；②輕輕地將蛋黃和蛋清倒出，并用清水將內(nèi)部沖洗干凈；③在雞蛋的鈍端找到氣室的位置，將該處蛋殼小心敲碎，輕輕地將蛋殼和內(nèi)膜剝離，露出直徑為1 cm的卵殼膜[4]。

1.3.2 組裝簡易滲透裝置 取直徑為9 cm的潔凈培養(yǎng)皿，倒入適量溶液1(表1)。在培養(yǎng)皿中放入泥三角，將雞蛋的鈍端架在泥三角上，調(diào)整泥三角的高度，使鈍端的卵殼膜浸入培養(yǎng)皿的溶液中。從雞蛋的銳端小孔中加入適量溶液2(表1)。

1.3.3 進(jìn)行分組實驗 組裝4套簡易滲透裝置(圖1)，按照表1分別加入相應(yīng)的溶液，進(jìn)行分組實驗。一段時間后，觀察并記錄實驗結(jié)果。

1.4 實驗結(jié)果 實驗結(jié)果與結(jié)論見表1。4組實驗結(jié)果顯示，雞蛋卵殼膜可以讓水分子自由通過，氯離子和葡萄糖也可以通過，而銀離子、蔗糖分子和淀粉分子則不能通過，由此說明：生物膜具有選擇透過性。

圖1 簡易滲透裝置設(shè)計

組別溶液1培養(yǎng)皿中溶液2蛋殼中實驗結(jié)果實驗結(jié)論1清水高濃度的紅糖溶液培養(yǎng)皿中溶液減少,顏色無變化;蛋殼中溶液增多,顏色變淺水能夠透過卵殼膜,蔗糖分子不能透過卵殼膜2淀粉溶液碘液培養(yǎng)皿中溶液出現(xiàn)藍(lán)色;蛋殼中溶液無明顯變化淀粉分子不能透過卵殼膜3硝酸銀溶液氯化鈉溶液培養(yǎng)皿中出現(xiàn)白色沉淀;蛋殼中溶液無明顯變化氯離子能夠透過卵殼膜,而銀離子不能4清水葡萄糖取培養(yǎng)皿中溶液與斐林試劑反應(yīng),產(chǎn)生磚紅色沉淀;取蛋殼中溶液與斐林試劑反應(yīng),產(chǎn)生磚紅色沉淀葡萄糖分子能夠透過卵殼膜

2 實驗討論

2.1 實驗裝置設(shè)計更加穩(wěn)定、安全 本實驗進(jìn)一步改進(jìn)了由雞蛋和培養(yǎng)皿組成的簡易實驗裝置：用泥三角作為雞蛋殼的支架，比用鑷子夾住雞蛋殼更加穩(wěn)當(dāng)，且不必?fù)?dān)心蛋殼被夾破。相比于教材實驗裝置和前人改進(jìn)的實驗裝置，本實驗材料用具易得，裝置組裝簡便，具有以下優(yōu)點：①相比于用鹽酸、醋酸等酸性物質(zhì)溶解雞蛋殼獲取卵殼膜的方法，本實驗使用物理方法更加環(huán)保；②不需要將卵殼膜綁在長頸漏斗上，也不需要借用鐵架臺完成組裝，操作簡單；③以泥三角來支撐雞蛋殼，更加穩(wěn)定、安全；④用培養(yǎng)皿作為膜外溶液的容器，相比燒杯節(jié)約了試劑的用量。

2.2 實驗過程比較簡單、現(xiàn)象明顯 經(jīng)過實驗裝置的改進(jìn)設(shè)計，該實驗的過程更加簡單、現(xiàn)象明顯。這樣，“膜的透性”實驗不再限于課堂演示，還適用于高中生物學(xué)課堂開展的探究性教學(xué)，學(xué)生能夠在實驗課上進(jìn)行小組合作探究，改進(jìn)后的實驗設(shè)計也可為教師開展課外的研究性學(xué)習(xí)提供了參考。

2.3 實驗內(nèi)容有利核心概念的構(gòu)建 該實驗增加淀粉、離子和葡萄糖等實驗試劑，完善了對“膜的透性”的探究。氯離子、銀離子的通透結(jié)果讓學(xué)生見證了生物膜的特性：①讓某些離子通過，而某些離子不能通過；②小分子，如葡萄糖能通過，而蔗糖不能通過；③大分子淀粉沒有通過。當(dāng)學(xué)生做完實驗，親眼看到實驗現(xiàn)象，再重讀“生物膜是一種選擇透過性膜，這種膜可以讓水分子自由通過，一些離子和小分子也可以通過，而其他離子、小分子和大分子則不能通過”這句話時，便不再是空泛的概念，而是有親自實踐得到的感性認(rèn)識，可加深對教材知識的理解。