“細胞大小與物質(zhì)運輸關(guān)系”的實驗探索

謝 婕 陳慧妍 陳佳琪

(廣東第二師范學院生物與食品工程學院 廣州 510303)

在前人研究的基礎上，筆者對“細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”模擬實驗進行一系列操作，得出該實驗的最佳材料、試劑、處理時間、方法等，旨在提高實驗效果及課堂效率，進一步培養(yǎng)學生的邏輯思維以及科學情趣。本文報告如下：

1 材料與方法

1.1 實驗材料與用具 材料：煮熟的馬鈴薯、煮熟的白蘿卜、豆腐(硬的)、白涼粉；染色劑：10%紅墨水、10%黑墨水和1.5%醫(yī)用碘酊；用具：燒杯、電爐、美工刀、塑料湯勺、濾紙、吸水紙和一次性薄膜手套(防染色)。

1.2 實驗方法 ①用美工刀將不同材料切成正方體，邊長分別為3 cm、2 cm各1塊，1 cm切3～5塊。②將材料放在燒杯內(nèi)，加入不同染色劑溶液，將材料浸沒。③設置溫度因素處理，紅墨水和黑墨水分別進行室溫與60℃保溫處理，碘酊因碘的揮發(fā)性不作溫度處理(室溫下即可)。染色過程中用塑料勺不時翻動正方體材料。③帶上一次性手套，在5 min，10 min，15 min時，用塑料勺將邊長為1 cm的正方體材料從溶液中取出。當觀察到邊長為1 cm的正方體完全染色，取出其他邊長的正方體塊。④用紙巾把它們吸干，用刀切成三等份。取中間一份進行觀察、測量和計算其滲透比值(滲透比值=擴散的體積/整個材料的體積)。⑤每個材料的不同處理進行三次重復，取平均值，并做方差和標準差分析，確定數(shù)值的可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 同材料對實驗效果的影響 采用馬鈴薯、豆腐、白蘿卜和白涼粉代替含酚酞的瓊脂塊。使用紅墨水染色，結(jié)果如圖1所示；對材料的擴散體積情況計算分析，得出不同材料的滲透比值(表1)。結(jié)果表明，在15 min、60℃的紅墨水中，每種材料的滲透比值隨著材料邊長的增大而減小；其中，材料滲透比值最高的是白涼粉和白蘿卜，最低的是馬鈴薯，而豆腐的滲透效果在白蘿卜和馬鈴薯兩者中間。

A馬鈴薯 B豆腐 C白蘿卜 D白涼粉

材料種類材料的邊長/cm擴散的深度/cm滲透比值馬鈴薯(煮熟)豆腐白蘿卜白涼粉30.150.27120.150.38610.150.65730.20.34920.20.48810.20.78530.50.704 20.50.87510.5130.50.704 20.50.87510.51

2.2 染色劑對實驗效果的影響 采用10%紅墨水、10%黑墨水和1.5%碘酊三種染色劑，通過它們對白涼粉染色擴散體積情況計算分析，得出不同染色劑的滲透比值(表2)。結(jié)果表明，紅墨水、黑墨水和碘酊均可以使材料染上顏色，如圖2所示，且相同時間內(nèi)每種染色劑的白涼粉滲透比值隨邊長的增大而減小。其中，紅墨水滲透比值最高，黑墨水次之，室溫下醫(yī)用碘酊最低。

A.紅墨水 B.黑墨水 C.醫(yī)用碘酊(a為染色碘酊的外表面)

表2 15 min不同試劑處理白涼粉的滲透比值(其中紅墨水和黑墨水為60℃處理)

2.3 染色時間對實驗效果的影響 將邊長為1 cm的白涼粉，分別浸泡紅墨水中5 min、10 min、15 min，觀察不同時間染色擴散體積情況并計算分析，得出不同染色時間白涼粉的滲透比值(表3)。結(jié)果表明，在一定時間范圍內(nèi)，材料的浸泡時間越長，滲透比值越高，最高為1(全滲透)；且60℃、15 min的情況下，紅墨水中白涼粉的滲透比值接近1。

表3 在60℃紅墨水處理下1 cm3正方體白涼粉不同時間的滲透比值

2.4 溫度對實驗效果的影響 對溫度的比較，通過比較室溫(約20℃)對照和60℃處理兩種溫度對比，觀察邊長1 cm的白涼粉染液擴散體積情況，發(fā)現(xiàn)邊長1 cm的白涼粉在60℃紅墨水中，達到全滲透(滲透比值為1)時間為15 min，在20℃達到全滲透時間為30 min。結(jié)果表明，適當加熱能加快染色劑的滲透效率。

3 討論

3.1 材料的生活化 通過調(diào)查了解，教材中“含酚酞的瓊脂塊”沒有成品可以購買，必須由教師自己制作，這樣會花費比較多的時間。生活中常見的白涼粉、豆腐(硬的)、白蘿卜、馬鈴薯，質(zhì)地均勻，容易滲透，這樣的改進有利于實驗的普及和推廣。同時，使用生活化的材料，引導學生用創(chuàng)新的思維看待實驗，學會發(fā)現(xiàn)科學合理又簡單易行的實驗方法，不僅能培養(yǎng)學生對學習生物學的興趣，還能增強學生的創(chuàng)新意識。

3.2 實驗的安全性 由于NaOH是強堿，有強烈的腐蝕性，實驗有一定的危險性。為此，可在生活中尋找容易取得、染色性強以及安全性高的溶液來代替NaOH溶液。從實驗的結(jié)果看，紅墨水在加熱的情況下的滲透效果最好，且不含腐蝕性，比較安全；黑墨水在加熱的情況下的滲透速率和擴散現(xiàn)象也不錯；醫(yī)用碘酊的外部染色較快，滲透效果較差，測量的數(shù)據(jù)誤差大。

3.3 數(shù)據(jù)的代表性 實驗的數(shù)據(jù)具有一定的代表性也是實驗科學性的重要表現(xiàn)之一。該教學實驗為的是讓學生從模擬材料中聯(lián)想遷移回細胞，以此來明白細胞的體積越小，其物質(zhì)運輸效率就越高，故在實驗中如果能使體積最小的物質(zhì)的實驗效果達到最佳，即滲透比值達到最大，能有助于學生理解體積小的細胞其運輸效率高。

3.4 實驗的高效性 在本實驗的教學課堂中，教師通過增加邊長為1 cm的正方體材料的數(shù)量，在不同的時間取出并切開，當邊長為1 cm的正方體完全染色，取出其余邊長的正方體塊并測量。這一步驟的增加，使得該實驗具有動態(tài)性和趣味性，讓學生能夠具體觀察到試劑滲入材料的動態(tài)過程；也能教導學生使用控制變量的方法設計實驗。考慮到實驗課堂的效果、學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和課堂的趣味性，可以參考本試驗中使用的幾種實驗材料來增設課堂實驗中材料的對比實驗，以及通過改變時間來測得邊長為1 cm的正方體全滲透的最佳效果。

4 結(jié)論

從實驗材料的選擇方面，白涼粉、豆腐、白蘿卜、馬鈴薯和均可以作為該實驗的替代材料。其中，白涼粉與白蘿卜的擴散速率相同且最快，并且白涼粉的內(nèi)部質(zhì)地均勻，滲透邊界十分清晰，容易進行實驗結(jié)果的測量和計算。從染色劑的選擇方面，碘酊的滲透性較小，數(shù)據(jù)難以測量并且不具代表性；黑墨水雖然滲透速度也較快，但紅墨水的速度和效果更明顯，所以紅墨水為首選染色劑。因此，選用染色效果較好的紅墨水和白涼粉組合，通過染色時間的選擇來保證邊長為1 cm的材料其滲透比值為1，并通過加熱使得實驗進展更為快速，從實驗的結(jié)果來看，在60℃、染色15 min的情況下，邊長為1 cm的白涼粉能達到最佳數(shù)據(jù)即滲透比值為1(全滲透)。

(廣東第二師范學院2014年度校級質(zhì)量工程項目；No.jxtd01；廣東第二師范學院2012年度教學研究與改革項目;No.yb2210)