《探究植物細(xì)胞的吸水和失水》實(shí)驗(yàn)

潘麗君

生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲取生物知識(shí)的最有效手段之一，因此對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作則有一定的要求?！短骄恐参锛?xì)胞的吸水和失水》屬新課標(biāo)人教版必修1第四章第一節(jié)的內(nèi)容，在課本61頁(yè)，它在教材中具有承上啟下的作用，既與第三章“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)功能”有一定的聯(lián)系，同時(shí)又為學(xué)生理解物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和后面兩節(jié)的學(xué)習(xí)起到鋪墊作用。該實(shí)驗(yàn)是高中生物課程的第一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，第一次將科學(xué)探究獨(dú)立提出，也是高考考綱中的一個(gè)重要考點(diǎn)。學(xué)生在嘗試提出問(wèn)題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)里體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過(guò)程，掌握科學(xué)探究的思維方法，從而為完成后面各章節(jié)的探究活動(dòng)打下基礎(chǔ)。

本人根據(jù)教材實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果不是很理想，主要問(wèn)題有，洋蔥鱗片葉外表皮不易撕取，很難撕取到單層的細(xì)胞，細(xì)胞重疊，影響觀察；實(shí)驗(yàn)試劑蔗糖溶液濃度高時(shí)黏性比較高，如果在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沾到物鏡上，不易擦拭。雖然本實(shí)驗(yàn)課本定義為探究性實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)原理學(xué)生已經(jīng)很清楚，所以整個(gè)探究過(guò)程實(shí)質(zhì)是以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的。故本人根據(jù)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的缺陷對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

一、實(shí)驗(yàn)材料的選擇

在高考中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)試題的得分率均比較低，事實(shí)上與我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)有關(guān)，《探究植物細(xì)胞的吸水和失水》實(shí)驗(yàn)教材中用到的實(shí)驗(yàn)材料是洋蔥，每年學(xué)生做該實(shí)驗(yàn)也是提供洋蔥做，但是近幾年高考題中涉及到該實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)材料已經(jīng)不再是紫色洋蔥鱗片葉外表皮了，比如2014年全國(guó)卷Ⅰ選擇題第4題關(guān)于植物質(zhì)壁分離的敘述，選項(xiàng)里面除了有紫色洋蔥鱗片葉外表皮外，還出現(xiàn)了黑藻，和白色花瓣、紅色花瓣。因此，對(duì)本實(shí)驗(yàn)的材料選擇進(jìn)行改進(jìn)已經(jīng)是時(shí)代要求。

紫色洋蔥呈紫色的部分僅僅是鱗片葉的外表皮，并且僅有幾層，學(xué)生在操作過(guò)程中比較浪費(fèi)，另外洋蔥鱗片葉外表皮不易撕取，很難撕取到單層的細(xì)胞，細(xì)胞重疊，影響觀察。因此在此基礎(chǔ)上，我做了以下改進(jìn)。

一是考慮用紫色洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮，內(nèi)表皮易于撕取，雖然液泡中無(wú)紫色，但是可以用添加了紅墨水的實(shí)驗(yàn)試劑來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn) [1]。

二是增加實(shí)驗(yàn)材料，不僅僅只用洋蔥鱗片葉，在此基礎(chǔ)上還增加了黑藻和水綿。黑藻和水綿是高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)材料，同時(shí)也是高考實(shí)驗(yàn)題中高頻考點(diǎn)。雖然黑藻葉細(xì)胞沒(méi)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)原現(xiàn)象，因?yàn)槠浼?xì)胞質(zhì)充滿(mǎn)葉綠體，除了液泡外，幾乎整個(gè)細(xì)胞就是綠色的，因此，也能夠與外界無(wú)色溶液形成對(duì)比，分散的葉綠體被擠壓在一起，非常容易觀察到質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象，同時(shí)可以觀察到液泡體積的變化，只是無(wú)法觀察液泡顏色變化。水綿也是高中生物實(shí)驗(yàn)一個(gè)主要的材料，教材中對(duì)水綿的應(yīng)用只有恩格爾曼探究光合作用場(chǎng)所時(shí)用到，在該實(shí)驗(yàn)中用水綿做實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性。水綿細(xì)胞是單列細(xì)胞，可直接制作裝片，制作簡(jiǎn)單，效果顯著。水綿細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中含有大量葉綠體，幾乎整個(gè)細(xì)胞就是綠色的，因此，和黑藻細(xì)胞一樣，非常容易觀察到質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象。

二、實(shí)驗(yàn)試劑的改進(jìn)

根據(jù)教材中用到0.3g/ml蔗糖溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離和復(fù)原時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一節(jié)課時(shí)間學(xué)生觀察時(shí)間有限，不能起到很好的觀察效果，并且還會(huì)因?yàn)閷W(xué)生操作過(guò)程中操作不當(dāng)，容易將蔗糖溶液灑在載物臺(tái)上，粘稠的蔗糖溶液不易擦拭干凈。因此在實(shí)驗(yàn)試劑的選擇上要遵循質(zhì)壁分離和復(fù)原時(shí)間短的原理，同時(shí)操作也要簡(jiǎn)單易進(jìn)行。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)用NaCl溶液[3]代替蔗糖溶液有較好的效果。配置濃度2%-5%的NaCl溶液細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離和復(fù)原的效果優(yōu)于30%蔗糖溶液發(fā)生質(zhì)壁分離的效果，其中3%的NaCl溶液效果最好。另外，即使有少量NaCl溶液不慎灑在載物臺(tái)上或者粘在物鏡上，直接用吸水紙擦干即可，對(duì)顯微鏡不會(huì)造成影響

對(duì)于用無(wú)色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不便觀察，故將配置的NaCl溶液中滴加紅墨水。通過(guò)洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察色素能否進(jìn)入細(xì)胞，感受細(xì)胞膜控制物質(zhì)進(jìn)出的功能，并能直觀地體現(xiàn)選擇透過(guò)性這一特點(diǎn)。 用加入紅墨水的NaCl溶液作試劑（紅墨水和NaCl溶液的比例是1∶3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，顏色對(duì)比鮮明。當(dāng)發(fā)生質(zhì)壁分離時(shí)可以觀察到無(wú)色液泡的體積呈不同程度的縮小，但始終是無(wú)色的，也就說(shuō)明紅色溶液進(jìn)入細(xì)胞壁但不能進(jìn)入原生質(zhì)層，從而證明細(xì)胞壁具有全透性，而原生質(zhì)層具有選擇透過(guò)性。

教材中提供蔗糖溶液和清水作為試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，先滴加蔗糖溶液讓植物細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離，之后再滴加清水，讓植物細(xì)胞質(zhì)壁分離復(fù)原，可以考慮配置一定濃度的KNo3溶液來(lái)進(jìn)行質(zhì)壁分離和自動(dòng)復(fù)原的實(shí)驗(yàn)。KNo3溶液可以被植物細(xì)胞吸收發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原，從而省卻清水步驟，操作方便，用時(shí)較短。KNo3溶液的最適分離濃度為0.10g/mol，此濃度下植物細(xì)胞質(zhì)壁分離時(shí)間較短，同時(shí)自動(dòng)復(fù)原時(shí)間也較短。但是用KNo3溶液做實(shí)驗(yàn)試劑時(shí)間則比較難控制，要求學(xué)生要連續(xù)觀察，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力要求比較高。

上述的實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)試劑的改進(jìn)，不僅可以節(jié)約觀察時(shí)間，又可以實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，大大提高了生物實(shí)驗(yàn)課堂的效率。另外，在該節(jié)實(shí)驗(yàn)課中，一個(gè)學(xué)生不可能完成全部的實(shí)驗(yàn)操作，因此可以分組進(jìn)行，通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)試劑的對(duì)比，可以擴(kuò)大學(xué)生的研究范圍，通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)初步具有了設(shè)計(jì)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的能力。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生們通過(guò)直接觀察色素不能進(jìn)入細(xì)胞，深刻感受到了細(xì)胞膜的控制物質(zhì)進(jìn)出的功能，為后續(xù)的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶W(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)通過(guò)自己設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大提升了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)操作的能力。

在本節(jié)實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生自己動(dòng)手，自己選材，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)操作能力都有很大提升，真正做到了探究實(shí)驗(yàn)中的探究。同時(shí)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)與教材有出入，無(wú)章可循，學(xué)生必須自己探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，這些對(duì)學(xué)生都是一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程，同時(shí)也是提高生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作能力的過(guò)程。