汪志偉

［摘要］ 本文探討“滲透作用”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)，包括實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)試劑等的創(chuàng)新改進(jìn)，通過將教材實(shí)驗(yàn)插圖設(shè)計(jì)成以學(xué)生為主導(dǎo)、以問題為導(dǎo)向的探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力，并對實(shí)驗(yàn)的可行性和可推廣性進(jìn)行了總結(jié)分析。

［關(guān)鍵詞］ 高中生物學(xué)；浙科版；滲透作用；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；探究應(yīng)用

高中生物學(xué)倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生主動參與探究過程，逐步培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理科學(xué)信息、分析和解決問題、交流與合作等方面的能力，重視培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力?！拔镔|(zhì)跨膜擴(kuò)散”是浙科版高中生物學(xué)必修1“物質(zhì)通過多種方式出入細(xì)胞”一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，旨在讓學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)識半透膜及滲透作用，為學(xué)習(xí)“動植物細(xì)胞失水和吸水”打好基礎(chǔ)。教材提供的實(shí)驗(yàn)插圖大致可描述為在盛有清水的燒杯上用玻璃棒懸掛一個(gè)透析袋，透析袋中裝有一定濃度的溶液，然后觀察透析袋體積前后是否發(fā)生變化，同時(shí)留意透析袋內(nèi)外顏色的變化。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡單、操作方便，但在實(shí)際操作中透析袋體積的變化不夠明顯，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易察覺，導(dǎo)致學(xué)生缺少直觀體驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。因此，筆者嘗試從實(shí)驗(yàn)裝置、半透膜材料、試劑等角度對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)，改進(jìn)后可在短時(shí)間內(nèi)觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并輔以可進(jìn)行實(shí)際操作的探究實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對本節(jié)重要概念的生成與內(nèi)化。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的性和科學(xué)性

教材中滲透作用實(shí)驗(yàn)僅以插圖的形式呈現(xiàn)，學(xué)生難以從中觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；采用透析袋充當(dāng)半透膜，學(xué)生不明白透析袋與生物膜在功能上有什么等同性。于是，筆者改用雞蛋卵殼膜來代替透析袋，雞蛋卵殼膜通透性接近生物膜，實(shí)驗(yàn)效果顯著。同時(shí)，筆者引導(dǎo)學(xué)生用中性筆的筆筒、橡皮筋等生活中的常見物品來組裝滲透裝置，用帶有顏色的紅糖水代替教材所用的淀粉溶液。在中性筆筆筒外用尺子畫上刻度，就可以更方便地觀察單位時(shí)間內(nèi)液面上升的高度。紅糖水中的蔗糖分子不能透過雞蛋卵殼膜，無毒且有明顯的深紅色，易被觀察。綜上，筆者所做的一系列實(shí)驗(yàn)改進(jìn)旨在提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，實(shí)現(xiàn)培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的育人目標(biāo)。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性

1.實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新改進(jìn)

教材中提到的實(shí)驗(yàn)裝置有燒杯、玻璃棒、透析袋，同時(shí)要求學(xué)生通過觀察透析袋體積變化來認(rèn)識滲透作用，而透析袋體積變化并不易被察覺。筆者采用生活中常見的筆筒（去掉兩端，保留兩端開口）、橡皮筋、燒杯等來改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。用橡皮筋將雞蛋卵殼膜扎在筆筒有螺紋的一端；筆筒一端有螺紋更容易固定半透膜，而且筆筒的內(nèi)徑相對較小，筆筒內(nèi)溶液體積輕微的變化就可以很快通過筆筒內(nèi)液柱的上升反映出來，從而縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更為明顯。在筆筒身上用尺子畫刻度，學(xué)生便于準(zhǔn)確讀取單位時(shí)間內(nèi)液面上升高度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如此一來，本實(shí)驗(yàn)裝置既可用來做定性實(shí)驗(yàn)，也可用來做定量實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生透徹理解滲透作用的原理，為后續(xù)教學(xué)做好鋪墊。

2.實(shí)驗(yàn)材料的創(chuàng)新改進(jìn)

教材插圖中采用透析袋充當(dāng)半透膜，學(xué)生對透析袋相對陌生，透析袋不僅屬于非生物，而且這種材料的通透性不強(qiáng)。在課前預(yù)實(shí)驗(yàn)中筆者發(fā)現(xiàn)，雞蛋卵殼膜的通透性大于透析袋，并且雞蛋卵殼膜接近生物膜，更容易讓學(xué)生理解半透膜的特征。實(shí)驗(yàn)用雞蛋卵殼膜的制作過程：挑選新鮮的大雞蛋，打破，倒掉蛋黃和蛋清，把蛋殼用清水沖洗干凈并保護(hù)卵殼膜的完整性；用鑷子直接撕取卵殼膜，將完好的卵殼膜浸泡在清水中備用；注意每次撕取的卵殼膜面積不必過大，因?yàn)橹行怨P筆筒管徑不大，保證夠用就可以。

教材實(shí)驗(yàn)中使用的是淀粉，需要染色劑碘液，碘液量控制不好會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很難被觀察清楚，因此改用紅糖水來代替。紅糖在生活中十分常見，這樣筆筒管內(nèi)的液柱顏色呈深紅色，更利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。筆者通過課前預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)隨著紅糖溶液濃度的升高，滲透作用增強(qiáng)。當(dāng)紅糖溶液濃度從0.5g/mL增至 0.6g/mL時(shí)，筆筒管內(nèi)液柱上升高度逐漸減小，說明蔗糖溶液濃度過高，滲透作用減弱。因此，在選用雞蛋卵殼膜做半透膜實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，紅糖溶液濃度控制在0.5g/mL-0.55g/mL，滲透效果更好。

三、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用

1.“探究滲透作用發(fā)生的條件”實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置來探究滲透作用條件，促進(jìn)學(xué)生對滲透作用概念的理解。實(shí)驗(yàn)材料：紅糖（蔗糖）、清水、雞蛋卵殼膜、保鮮膜（任何物質(zhì)不透）、中性筆筆筒（若干支）、滴管、記號筆、燒杯、直尺等。

實(shí)驗(yàn)步驟：取3支中性筆筆筒，并編號A、B、C；在

A、C筆筒一端開口（有螺紋）處用皮筋扎好半透膜，B組一端開口處扎好保鮮膜；用滴管向A、B筆筒中加入等量的紅糖水，用滴管向C組筆筒中加入等量的清水，用記號筆做好液面的初始位置標(biāo)記，將三支筆筒封口一端放入裝有水的燒杯中（燒杯中水位與筆筒內(nèi)液面處持平），用鐵架臺盡量保持筆筒管內(nèi)外液面平衡，如圖1。放置2分鐘后，做好液面變化后的位置標(biāo)記；觀察并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：A組筆筒管內(nèi)液面上升最快，B和C組筆筒管內(nèi)液面沒有上升。A組和B組對照說明了滲透作用的發(fā)生需要半透膜。A組和C組對照說明了當(dāng)半透膜兩側(cè)溶液出現(xiàn)濃度差時(shí)，滲透作用就會發(fā)生，水從水分子數(shù)的相對高的一側(cè)向相對低的一側(cè)滲透，從而總結(jié)出滲透作用發(fā)生的兩個(gè)條件：半透膜和濃度差。

學(xué)生分析A組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，思考以下問題：（1）A筆筒管內(nèi)液面上升到什么時(shí)候停止，為什么？（2）筆筒管內(nèi)液面停止上升時(shí)水分子有進(jìn)出半透膜嗎？假設(shè)桌面上有一杯水，水是靜止的，但水分子呢？

2.“探究雞蛋卵殼膜是一種半透膜”實(shí)驗(yàn)

改用蛋白質(zhì)溶液、淀粉溶液和葡萄糖溶液作為實(shí)驗(yàn)試劑進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)步驟：取3支中性筆筆筒，并編號A、B、C；在A、B、C筆筒一端開口處用皮筋扎好半透膜；用滴管向A、B、C筆筒管中分別加入等量的蛋白質(zhì)溶液、淀粉溶液和葡萄糖溶液，用記號筆做好液面的初始位置標(biāo)記，將三支筆筒封口一端放入裝有水的燒杯中（燒杯中水位與筆筒上的標(biāo)記處持平），用鐵架臺盡量保持筆筒管內(nèi)外液面平衡；放置10分鐘后，做好液面變化后的位置標(biāo)記，分別從三個(gè)燒杯中取出適量溶液，用雙縮脲試劑、碘液和本尼迪特試劑進(jìn)行顏色鑒定；觀察并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，蛋白質(zhì)和淀粉等大分子物質(zhì)不能通過雞蛋卵殼膜，而葡萄糖、水等小分子物質(zhì)能通過雞蛋卵殼膜，這證明雞蛋卵殼膜是一種半透膜。

3.類比遷移“探究植物細(xì)胞吸水和失水”實(shí)驗(yàn)

利用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置探索滲透作用的條件，然后引導(dǎo)學(xué)生以類比遷移的方式思考動植物細(xì)胞吸水、失水的原理和條件，找出物理滲透模型裝置與植物細(xì)胞吸水、失水裝置的相似性。圖2顯示大液泡的體積幾乎占到成熟植物細(xì)胞總體積的90%以上，植物細(xì)胞吸水和失水幾乎都與液泡中的細(xì)胞液有關(guān)。若將植物細(xì)胞放在清水中，則會發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞相當(dāng)于底部蒙有半透膜的盛放40%紅糖溶液的筆筒管，原生質(zhì)層相當(dāng)于筆筒管底部的半透膜，細(xì)胞液相當(dāng)于筆筒管內(nèi)的溶液，清水相當(dāng)于外界溶液。因此，將細(xì)胞膜、液泡膜及兩層膜之間的細(xì)胞質(zhì)稱為原生質(zhì)層，這就相當(dāng)于半透膜。當(dāng)植物細(xì)胞在一定濃度的溶液中發(fā)生了滲透吸水或失水，同時(shí)由于原生質(zhì)層的伸縮性大于細(xì)胞壁的伸縮性，就會出現(xiàn)原生質(zhì)層與細(xì)胞壁的分離，以及質(zhì)壁分離后的復(fù)原。

現(xiàn)將“探究植物細(xì)胞吸水和失水”實(shí)驗(yàn)科學(xué)探究的過程總結(jié)如下。第一步，提出問題：植物細(xì)胞吸水和失水的條件是什么？第二步，提出假設(shè)：當(dāng)細(xì)胞液濃度低于外界溶液濃度時(shí)，細(xì)胞就會失水引起質(zhì)壁分離；當(dāng)外界溶液濃度低于細(xì)胞液濃度時(shí)，細(xì)胞就會吸水膨脹。第三步，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：材料選擇（植物細(xì)胞選材有什么要求）—自變量控制（外界溶液濃度應(yīng)該怎么設(shè)置）—因變量控制（細(xì)胞發(fā)生失水或者吸水觀察到的現(xiàn)象是什么）。第四步，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：結(jié)合植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)操作及演示視頻，思考（1）在

蓋玻片下又是如何實(shí)現(xiàn)將高濃度蔗糖溶液換成清水的？（2）植物細(xì)胞質(zhì)壁分離過程中，有水分子進(jìn)入細(xì)胞嗎？吸水能力會如何變化？（3）質(zhì)壁分離復(fù)原很長一段時(shí)間后，當(dāng)植物細(xì)胞停止膨脹時(shí)，細(xì)胞液濃度與外界濃度大小有怎樣的變化？

按照類比遷移的方法，以滲透裝置和滲透現(xiàn)象發(fā)生的條件為參照點(diǎn)，學(xué)習(xí)植物細(xì)胞的吸水和失水，完成“植物細(xì)胞的原生質(zhì)層是一層選擇透過性膜”這一核心知識的建構(gòu)。學(xué)生通過觀察分析植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原的現(xiàn)象，獲得細(xì)胞吸水、失水與外界溶液濃度關(guān)系的感性認(rèn)識，進(jìn)而深入理解“成熟的植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)”及“影響細(xì)胞滲透吸水失水的內(nèi)外條件”。

綜上所述，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置有助于學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，操作簡便，實(shí)驗(yàn)所需儀器多為生活中常見的物品，具有易操作性。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀，有助于學(xué)生深入理解滲透作用的原理，為接下來學(xué)習(xí)動植物細(xì)胞失水和吸水原理奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能夠發(fā)揮主觀能動性，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，提高自主探究能力。