李立娟 (石家莊第二外國語學校 河北石家莊 050022)
生物學冀教版2011八上教材第2章第2節(jié)“根對水分的吸收”中探究細胞吸水、失水原理是難點,高中生物學必修1“物質跨膜運輸?shù)膶嵗奔啊拔镔|跨膜運輸?shù)姆绞健敝猩婕暗皆撝R點,需要擴充一定的知識,并盡量降低難度學生才能理解。目前無資料顯示蘿卜細胞液的具體合適濃度,筆者進行多次實驗得出比較準確的結果,供師生在課堂教學中使用。
根據(jù)教材第21~22頁“探究竟:實驗”,切取一些蘿卜片替代蘿卜條,這樣取材能夠相對完整,且同時具備輸導組織和營養(yǎng)組織,避免不同位置蘿卜條細胞液濃度不同;此外在描述實驗現(xiàn)象時效果更好,低濃度溶液中的蘿卜片會變得更硬,高濃度溶液中的蘿卜片變軟。沒有必要切取同質量的2組蘿卜片,因為在實際操作中,要達到此目的需要不斷調整,所以可以切取2組蘿卜片(厚度在2~3 mm),記錄其質量,浸泡20 min,即可出效果(教材給出的是1~2 h),再擦拭掉水分稱取質量,對比2次質量即可,這樣操作更加節(jié)省時間。
2.1 實驗目的 幫助學生更好地理解細胞吸水、失水原理,進一步設計實驗探究蘿卜細胞液的濃度。如果在教材中直接給出此結論:“蘿卜細胞液濃度>1%鹽水濃度,蘿卜細胞液濃度<30%鹽水濃度”,即可成為已知條件。
2.2 實驗原理 向學生簡單介紹溶液和濃度的概念及如何配制濃度為1%的鹽水和30%的鹽水。配制方法:1%鹽水:1 g鹽加上99 g純凈水。需要進一步說明蘿卜由細胞構成,細胞中液泡所占體積(有的液泡占到90%)很大,液泡里含有的細胞液也是一種溶液,溶解有多種營養(yǎng)物質,也具有一定的濃度,因此將蘿卜細胞液與不同濃度鹽水進行比較。實驗采取逐漸縮小濃度范圍的方法測算蘿卜細胞液濃度,第1次在1%~30%范圍內檢測細胞液濃度,濃度梯度5%,根據(jù)實驗結果再縮小鹽水濃度的范圍,濃度梯度分別是1%、0.2%、0.1%。
2.3 實驗器具及材料 燒杯、量筒、天平、攪拌棒、吸水紙、刀、蘿卜、食鹽。
2.4 實驗步驟
1)第1次實驗設計5組,根據(jù)已知,蘿卜的細胞液濃度在1%~30%的鹽水之間,因此設置鹽水濃度分別是5%、10%、15%、20%、25%,稱取 5組蘿卜片(每組 3片),質量分別是 13.6 g、15.4 g、13.1 g、14.3 g、14.1 g,1 h 后 擦 干 蘿 卜 表 面 的水并稱重,5%鹽水中的蘿卜片質量由13.6 g變?yōu)?0.6 g,說明蘿卜失水,蘿卜細胞液濃度一定小于5%鹽水濃度,其他4組蘿卜片不需要再稱重。
2)第2次實驗設計 3組(1%~5%之間),鹽水濃度分別是2%、3%、4%,稱取3組19.9 g蘿卜(每組3片),為了對比不同濃度鹽水中質量變化情況,此次稱取相同質量的蘿卜片,1 h后擦干蘿卜片表面水并稱重,2%鹽水中蘿卜片質量為15.4 g,蘿卜細胞液濃度依然要小于2%鹽水。
3)第3次實驗鹽水濃度介于1%~2%之間,濃度分別是1.2%、1.4%、1.6%、1.8%,為了提高準確度,分別稱取 2.4 g、2.8 g、3.2 g、3.6 g 鹽,加入 197.6 g、197.2 g、196.8 g、196.4 g 水(經測算 10 mL 水171滴,0.6 mL水是10滴),稱取30 g蘿卜片(每組5片),為了更加精確,擦干表面的液體再放入鹽水中,燒杯上蓋吸水紙(防止灰塵落入)浸泡2 h,1.2%鹽水中的蘿卜由30 g變?yōu)?29.5 g,1.4%鹽水變?yōu)?8 g,1.6%鹽水變?yōu)?7.1 g,1.8%鹽水變?yōu)?5.9 g,蘿卜細胞液的濃度已非常接近1.2%的鹽水。
4)為了探究蘿卜細胞液濃度更接近1.1%還是1.2%鹽水,第4次操作將30 g蘿卜片擦干表面液體,別放入1.1%和1.2%鹽水中,蓋上吸水紙放置2 h,1.1%鹽水的蘿卜片質量由30 g變?yōu)?0.3 g,吸水;1.2%鹽水中蘿卜片由30 g變?yōu)榻咏?9.8 g,失水。
誤差分析:每次實驗操作本身可能會有一些誤差;此外不同的蘿卜細胞液濃度也會不同,放置時間較長也會影響蘿卜細胞液濃度;本次實驗所用材料蘿卜是同一批購買,但第1次實驗是9月21日上午進行,第2次、第3次實驗是9月22日進行,第 4次操作是 9月 23進行,時間越長蘿卜水份蒸發(fā)掉越多,可能導致最后一次實驗細胞失水較少。又重新購買不同批次的蘿卜,經過多次實驗驗證:蘿卜在1.1%鹽水中質量變大,在1.2%鹽水中質量變小,得出蘿卜細胞液濃度確實介于1.1%~1.2%鹽水的濃度。
測出相對準確的細胞液濃度,教師在課堂上就可以直接使用,以該實驗數(shù)據(jù)作為已知條件可降低此知識點的難度,有利于教師的實際教學。學生根據(jù)實驗結果:1%鹽水中的蘿卜質量增加,細胞吸水,30%鹽水中的蘿卜質量降低,細胞失水。因此得出結論:當細胞液濃度>周圍溶液濃度時,細胞吸水,細胞液濃度<周圍溶液濃度時,細胞失水,即水向濃度“高”處流。學生能順理成章地接受這個結論。
如果學生繼續(xù)追問:為什么水會由低濃度流向高濃度?可以先讓學生進行思考,嘗試解答,有的學生能聯(lián)想到物理上氣體的擴散,一個房間內的味道擴散到另一個房間,運用物理學知識進行解釋;還有學生在解釋過程中提到了被動運輸,這是高中生物學必修1“物質跨膜運輸?shù)姆绞健敝刑岬剑粍舆\輸包含自由擴散和協(xié)助擴散[1]。經過不斷嘗試,以下解釋學生比較容易接受:不同濃度的液體就如同氣體擴散,經過水的擴散達到細胞內外濃度的一致,蘿卜細胞液濃度﹥1%鹽水濃度時,主要因為細胞吸水,細胞液的濃度就會降低,減少細胞內、外溶液的濃度差,因為細胞最外面有細胞壁,細胞吸水是有一定限度的,最終達到一個動態(tài)平衡。同理,蘿卜細胞液濃度﹤30%鹽水濃度時,水由細胞流向濃鹽水溶液,細胞失水,細胞液的濃度增大。這個解釋中其實還要涉及細胞膜和液泡膜及2層膜之間的細胞質稱為原生質層[1],相當于一種半透膜,水分子能自由出入,有些大分子的物質不能自由出入。品嘗1.1%和1.2%鹽水的蘿卜片,有一定咸味,說明此過程中也應該存在一定Na+的主動運輸,也就是說細胞內、外濃度達到一定平衡,有水分子的擴散作用,也應該有Na+主動運輸?shù)淖饔谩.斎浑缰葡滩瞬皇且驗镹a+的主動運輸,是因為時間太長細胞已經死亡,鹽能自由擴散進出細胞。
還有一種相對比較容易接受的解釋,告訴學生如何配制2種100 mL的鹽水溶液,1%鹽水基本是1 g鹽加上99 g水,而細胞液濃度介于1.1%與1.2%之間(基本相當于1.2 g溶劑+98.8 g水),100 mL的30%鹽水是35.2 g鹽+97.8 g水配制而成。具體的計算方法如下:由于0.9%鹽水密度約為1 g/cm3,所以1%鹽水密度也近似1 g/cm3,配制100 mL 1%的鹽水溶液:1 g鹽+99 g水;由于在常溫(20~30℃)常壓下,飽和食鹽水濃度是 26.5%,密度是1.33 g/cm3,所以30%的鹽水在常溫常壓下(會有鹽粒析出)不可能實現(xiàn),因此按照飽和食鹽水的密度換算:100 mL 30%鹽水質量是133 g(100 mL ×1.33 g/cm3),鹽 的 質 量 133 g×26.5%=35.245 g,水的質量 133-35.245=97.755 g。
等體積(100 mL)的 1%鹽水、蘿卜細胞液、30%鹽水中, 水的含量別是:99 g、98.8 g、97.8 g,水的含量:1%鹽水>蘿卜細胞液>30%鹽水,所以水的流向由“多向少”,1%鹽水→蘿卜細胞液→30%鹽水,因此得出水向濃度“高”處流。
主要參考文獻
[1]人民教育出版社,課程教材研究所,生物課程教材研究開發(fā)中心.高中生物:必修1:分子與細胞.2版.北京:人民教育出版社,2004.