“滲透作用實(shí)驗(yàn)”的專題復(fù)習(xí)

徐業(yè)義

人教版高中生物《必修1·分子與細(xì)胞》教材中關(guān)于滲透作用的實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)，一個(gè)是“問題探討”欄目中的“滲透現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)是正文中“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本原理相同，都是利用水分子從滲透壓低的一側(cè)向滲透壓高的一側(cè)運(yùn)動(dòng)，引起膜兩側(cè)溶液體積的改變。通過實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)以下措施在滲透作用實(shí)驗(yàn)的專題復(fù)習(xí)課上可以培養(yǎng)學(xué)生的高階思維、提出問題和解決問題等能力，具有較好的教學(xué)效果。

1 通過計(jì)算加深對(duì)滲透壓的理解

滲透作用實(shí)驗(yàn)涉及到的一個(gè)重要名詞是滲透壓。初學(xué)時(shí)，學(xué)生往往簡(jiǎn)單地將滲透壓與濃度掛鉤，并不清楚是質(zhì)量濃度還是微粒濃度，形成“水分子通過半透膜由濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)運(yùn)動(dòng)”這一并不準(zhǔn)確的判斷水分子運(yùn)動(dòng)方向的方法。

針對(duì)以上情況，教師在復(fù)習(xí)課上可準(zhǔn)備如下實(shí)驗(yàn)器材：紫色洋蔥、顯微鏡、質(zhì)量濃度為30%的蔗糖溶液和30%NaCl溶液等，并提問：兩種溶液中哪種使洋蔥表皮細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離的速度更快？學(xué)生部分認(rèn)為一樣快，部分認(rèn)為30%NaCl快，還有少數(shù)認(rèn)為30%蔗糖溶液快。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)滴加30%NaCl溶液的洋蔥表皮細(xì)胞只要幾秒鐘便迅速發(fā)生非常明顯的質(zhì)壁分離現(xiàn)象，而滴加30%蔗糖溶液的洋蔥表皮細(xì)胞卻要反復(fù)滴、吸幾次，在約1-2分鐘后才能看到質(zhì)壁分離。據(jù)此，教師繼續(xù)提問：兩種溶液質(zhì)量濃度相同，為何質(zhì)壁分離所用時(shí)間相差如此之大？學(xué)生通過激烈討論和閱讀課本，能夠答出：滲透壓是指溶質(zhì)中微粒對(duì)水的吸引力。滲透壓大小取決于單位體積溶液中微粒的數(shù)目，溶質(zhì)微粒越多，即溶質(zhì)濃度越高，溶液滲透壓越高。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生通過計(jì)算比較兩種溶液的微粒濃度：30%蔗糖溶液的微粒濃度約為5.28×10 23 個(gè)/升，30%NaCl溶液的微粒濃度約為6.18×10 24 個(gè)/升，后者是前者的11.7倍。教師還可簡(jiǎn)單介紹范托夫公式（π=C B RT），讓學(xué)生更進(jìn)一步明確在一定環(huán)境條件下，溶液的滲透壓只與溶液微粒濃度有關(guān)。

滲透作用實(shí)驗(yàn)的專題復(fù)習(xí)中，教師通過計(jì)算強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)于滲透壓的大小與微粒濃度有關(guān)而非與質(zhì)量濃度相關(guān)的認(rèn)知，加深了學(xué)生對(duì)滲透壓的理解，為在不同情境中利用滲透壓大小判斷膜兩側(cè)液體體積和濃度變化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題并提出解決方案

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，進(jìn)而提出解決方案，能夠培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的能力，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

在學(xué)生對(duì)滲透作用的原理有了深刻認(rèn)識(shí)后，教師提供如圖1所示兩組裝置，并作簡(jiǎn)要介紹：A、B兩燒杯中放置等量的已知濃度的蔗糖溶液，燒杯A中加入葉圓片后，根據(jù)蔗糖溶液濃度與葉圓片細(xì)胞液濃度間的關(guān)系，葉圓片細(xì)胞可能吸水、失水或既不失水也不吸水，從而引起A燒杯中蔗糖溶液的濃度發(fā)生改變，其密度也相應(yīng)改變，再將A燒杯中液體滴入B燒杯蔗糖溶液內(nèi)部，看滴入蔗糖溶液的沉浮情況可以判斷葉圓片細(xì)胞液濃度與已知蔗糖溶液濃度間的關(guān)系。通過配置系列濃度梯度的蔗糖溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可測(cè)出植物細(xì)胞液的濃度。結(jié)合圖示和介紹，學(xué)生初步掌握測(cè)量植物細(xì)胞液濃度的原理與方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

學(xué)生操作后發(fā)現(xiàn)：滴入B燒杯溶液中的液體不易觀察是上浮還是下沉。隨后學(xué)生分析：A、B中的液體都是無色的，不容易觀察到滴入B中液滴的沉浮情況，如果在A燒杯中加入少量色素，就容易觀察到滴入液滴的沉浮。但A燒杯中加入色素后其滲透壓會(huì)增加，增加的滲透壓如果較小可以忽略不計(jì)，如果較大則需要在B燒杯中加入一定量的蔗糖以平衡。教師提問：怎樣選擇合適的方法來觀察呢？學(xué)生討論形成方案：可配制一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液，滴入清水中觀察液滴的浮沉情況，然后不斷稀釋和滴入，直到亞甲基藍(lán)顏色很淡為止。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下繼續(xù)進(jìn)行探究：首先配制1‰的亞甲基藍(lán)溶液，滴入清水中明顯下沉，稀釋十倍后下沉緩慢，再稀釋10倍后幾乎處于懸浮狀態(tài)，此時(shí)亞甲基藍(lán)溶液藍(lán)色仍可辨析。最后學(xué)生得出結(jié)論：探究植物細(xì)胞液濃度的最低蔗糖濃度一般設(shè)置在0.05 g/mL，0.0001 g/mL的亞甲基藍(lán)溶液濃度只占最低蔗糖濃度的1/500，可以忽略不計(jì)。

根據(jù)上述探究結(jié)果在A燒杯的蔗糖溶液中加入少量亞甲基藍(lán)使其濃度為0.0001 g/mL，發(fā)現(xiàn)無論蔗糖溶液的濃度設(shè)置是較高還是較低，A燒杯中的溶液滴入B燒杯后都沒有明顯的上浮或下沉，而是處于懸浮狀態(tài)，教師提問：這是什么原因呢？學(xué)生分析：滴入液滴沒有明顯的上浮或下沉說明兩燒杯中溶液的微粒濃度差異較小，葉圓片引起A燒杯中溶液濃度改變較小，原因可能是A燒杯中蔗糖溶液量太多或葉圓片數(shù)量太少，或者葉圓片與蔗糖溶液之間水分交換不充分，因此在增加葉圓片數(shù)量的同時(shí)減少蔗糖溶液的用量、延長(zhǎng)葉圓片與蔗糖溶液之間的作用時(shí)間，應(yīng)可以使A燒杯中的蔗糖溶液微粒濃度發(fā)生明顯改變。

學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案后繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)較低濃度蔗糖組的液滴進(jìn)入B燒杯中后下沉較快，而較高濃度的蔗糖組則相反。但在操作較低濃度蔗糖組時(shí)又發(fā)現(xiàn)了新的問題：滴入B燒杯后液滴下沉，難以區(qū)分是A燒杯中蔗糖溶液濃度升高還是擠壓滴管時(shí)用力過猛造成的。據(jù)此，教師提問：應(yīng)怎樣改進(jìn)使其便于區(qū)分？在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生繼續(xù)分析：滴管尖端垂直方向插入B燒杯液體中，導(dǎo)致密度較大的液滴進(jìn)入后不論是因?yàn)槊芏却筮€是因?yàn)榈稳氤跛俣却蠖紩?huì)下沉，如果改變滴管尖端的方向使其呈水平狀態(tài)即可解決。一次性滴管是塑料的，只要用酒精燈加熱將尖端以下部分扭轉(zhuǎn)90度即可。學(xué)生改進(jìn)后再操作，順利解決問題。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是大學(xué)教材《植物生理學(xué)》中的“小液流法測(cè)量植物細(xì)胞液的濃度”，教師在該案例中不必介紹其名稱，只要學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的原理與方法，就可以對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并嘗試提出解決方案，通過這種不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的課堂實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑箍茖W(xué)探究能力和科學(xué)思維的培養(yǎng)真正落地。

3 通過給定新裝置分析實(shí)驗(yàn)的可行性

新的裝置意味著新的情境。學(xué)生對(duì)于滲透作用的本質(zhì)是否真正理解并能遷移運(yùn)用，利用新裝置可進(jìn)行一定程度的檢驗(yàn)。

教師先提供如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，并告知學(xué)生分析天平的靈敏度非常高，測(cè)量質(zhì)量可以精確到0.1 mg，葉片質(zhì)量發(fā)生細(xì)微的變化都可以從分析天平的表盤上讀出，并提出“能否利用該裝置測(cè)定葉片細(xì)胞液的濃度”的問題。學(xué)生通過討論后一致認(rèn)為可以測(cè)定。理由是當(dāng)蔗糖溶液濃度大于葉片細(xì)胞液濃度時(shí)，葉片細(xì)胞失水，天平讀數(shù)變小，反之則天平讀數(shù)變大，如果兩者濃度相等則天平讀數(shù)不變。接著，教師鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)燒杯中不論是高濃度的蔗糖溶液還是清水，天平的讀數(shù)都會(huì)變大。

學(xué)生隨即展開討論，最終發(fā)現(xiàn)：蔗糖溶液濃度較低時(shí)，葉片細(xì)胞吸水，天平讀數(shù)變大，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；當(dāng)蔗糖溶液濃度較高時(shí)，葉片細(xì)胞失水并發(fā)生質(zhì)壁分離，但分離后的細(xì)胞壁與原生質(zhì)層之間的間隙又被高濃度的蔗糖溶液所充滿，蔗糖溶液的密度大于細(xì)胞失掉的水的密度，因此細(xì)胞的總質(zhì)量仍然是增加的，所以天平讀數(shù)也應(yīng)該是變大的。因此該裝置不能用來測(cè)定植物細(xì)胞液的濃度。

接著，教師提供如圖3所示的裝置，提問：能否利用該裝置測(cè)定植物細(xì)胞液的濃度？如果能請(qǐng)說出測(cè)定的原理。學(xué)生結(jié)合滲透作用原理和所學(xué)過的物理學(xué)知識(shí)分析得出：如果蔗糖溶液濃度高于葉圓片細(xì)胞液濃度則細(xì)胞失水，引起蔗糖溶液濃度（密度）變小，鐵塊所受浮力變小，天平讀數(shù)變大，反之天平讀數(shù)變小，兩者濃度相等時(shí)，天平讀數(shù)不變。因此可以利用該裝置測(cè)定細(xì)胞液的濃度，并且實(shí)驗(yàn)操作后發(fā)現(xiàn)結(jié)果與分析完全一致。

圖2所示裝置對(duì)應(yīng)問題的迷惑性強(qiáng)，學(xué)生分析易錯(cuò)，但預(yù)測(cè)與結(jié)果間的沖突可以激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲和學(xué)習(xí)興趣。圖3所示裝置不僅可以考查學(xué)生對(duì)于滲透作用知識(shí)的理解，而且還考查了一定的物理學(xué)知識(shí)，考察了學(xué)生綜合運(yùn)用不同學(xué)科知識(shí)解決特定問題的能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)通過不斷制造新情境讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲而實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的不斷提升。在“滲透作用實(shí)驗(yàn)”的專題復(fù)習(xí)中，教師通過計(jì)算加深了學(xué)生對(duì)滲透壓的理解，通過引導(dǎo)學(xué)生對(duì)原有實(shí)驗(yàn)提出優(yōu)化和利用給定新裝置分析實(shí)驗(yàn)的可行性等手段，在實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中夯實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維。

參考文獻(xiàn)：

中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：53.