無(wú)機(jī)鹽相關(guān)重要概念的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

楊 其 朱 穎 楊艷華 王志堅(jiān) 霍 靜

(西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 重慶 400715)

無(wú)機(jī)鹽含量較少，卻在物質(zhì)代謝和維持正常的生命活動(dòng)中，發(fā)揮著非常重要的作用。例如，鐵鹽是細(xì)胞色素氧化酶等許多酶類(lèi)的組成成分，也是合成葉綠素所必需的無(wú)機(jī)鹽；而磷酸鹽是植物核酸和細(xì)胞膜的主要成分，參與ATP的合成[1]。因此，“無(wú)機(jī)鹽”也成為中學(xué)階段學(xué)生必須掌握的生物學(xué)重要概念[2]。但無(wú)機(jī)鹽的作用僅通過(guò)閱讀資料或描述科學(xué)事實(shí)來(lái)“記憶”，學(xué)生較難真正地掌握和應(yīng)用。

國(guó)外教材中常利用綠色植物作為培養(yǎng)對(duì)象，來(lái)認(rèn)識(shí)不同種類(lèi)無(wú)機(jī)鹽的作用[3]，在缺少某一種元素的培養(yǎng)條件下(簡(jiǎn)稱“缺素”)，觀察植物生長(zhǎng)情況的變化，來(lái)確定該元素的具體作用。但綠色植物從開(kāi)始“缺素培養(yǎng)”到能觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)。而且綠色植物的物質(zhì)代謝補(bǔ)償機(jī)制復(fù)雜，有時(shí)從外觀上又很難觀察或分辨“缺素培養(yǎng)”的相應(yīng)癥狀，導(dǎo)致學(xué)生在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)后，不能順利地獲得相關(guān)的結(jié)論。

本文在通過(guò)實(shí)踐研究后，找到一種生長(zhǎng)周期較快的實(shí)驗(yàn)材料——單細(xì)胞綠藻，這些水培中的藻類(lèi)增殖周期短，對(duì)無(wú)機(jī)鹽的作用敏感。學(xué)生可通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將水培中獲得的藻類(lèi)用于“缺素培養(yǎng)”，在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到無(wú)機(jī)鹽對(duì)生物生長(zhǎng)的影響，從而獲得與無(wú)機(jī)鹽相關(guān)的生物學(xué)概念。

1 水培藻類(lèi)的收集

用水培完全營(yíng)養(yǎng)液培育根系發(fā)達(dá)的植物(如西瓜幼苗)，在適宜溫度的條件下水培幾天后，培養(yǎng)液變?yōu)榫G色時(shí)，即可收集實(shí)驗(yàn)用的藻類(lèi)。經(jīng)鏡檢，本研究所獲得的水培液中藻類(lèi)為單細(xì)胞綠藻，主要有月形藻、小球藻等。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)組均各取2 mL綠藻培養(yǎng)液，4000 r/min離心10 min，棄上清液，收集到的綠藻沉淀備用。

2 與無(wú)機(jī)鹽相關(guān)概念的探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 鐵鹽對(duì)單細(xì)胞綠藻生長(zhǎng)的影響 取2份制備好的綠藻沉淀，分別接種于完全營(yíng)養(yǎng)液(A組)和缺鐵營(yíng)養(yǎng)液(B組)中。室內(nèi)培養(yǎng)7 d后，觀察到A組的水體比B組更綠。鏡檢后發(fā)現(xiàn)2組水體中，A組綠藻數(shù)量更多，綠藻細(xì)胞顏色更深；而B(niǎo)組綠藻數(shù)量較少，其中藻體顏色較淺，甚至呈透明狀。

接著，將B組綠藻混勻后等分為B1、B2兩組，在B1中添加適量的螯合鐵溶液，B2組繼續(xù)用缺鐵培養(yǎng)基培養(yǎng)。繼續(xù)培養(yǎng)9 d后，鏡檢觀察到，B1、B2組綠藻細(xì)胞體積膨脹；B1組綠藻細(xì)胞緩慢恢復(fù)生長(zhǎng)，細(xì)胞呈深綠色；B2組綠藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)仍然呈空泡狀，顏色較淺。

2.2 磷酸鹽對(duì)單細(xì)胞綠藻生長(zhǎng)的影響 取兩份備用的綠藻沉淀，分別用完全營(yíng)養(yǎng)液(C組)和缺磷營(yíng)養(yǎng)液(D組)培養(yǎng)。在第8 d，可觀察到D組中培養(yǎng)液的顏色明顯較C組顏色淺。另外，D組培養(yǎng)瓶中沉淀也多于C組。鏡檢后發(fā)現(xiàn)D組綠藻數(shù)量少于C組綠藻數(shù)量，而且D組中的沉淀均為死亡綠藻的細(xì)胞凝聚團(tuán)。

隨后，混勻D組的綠藻，等分為D1、D22份，D1補(bǔ)充適量磷酸二氫鉀溶液，D2繼續(xù)用原缺磷酸鹽培養(yǎng)基培養(yǎng)。當(dāng)培養(yǎng)到第18 d，可發(fā)現(xiàn)未補(bǔ)充磷酸鹽的D2組培養(yǎng)瓶中的綠色比D1組更淺；鏡檢觀察到D2組培養(yǎng)液中綠藻濃度低于D1組藻體濃度，而補(bǔ)充磷的D1組綠藻數(shù)量增多，說(shuō)明D1組的藻類(lèi)開(kāi)始恢復(fù)生長(zhǎng)和增殖。

2.3 獲得與無(wú)機(jī)鹽相關(guān)的概念 通過(guò)“鐵鹽對(duì)單細(xì)胞綠藻生長(zhǎng)的影響”的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察到“鐵鹽對(duì)綠藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，并且在重新補(bǔ)充鐵鹽后綠藻”的生長(zhǎng)有所恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能總結(jié)出鐵鹽在葉綠素合成中的作用。由于缺鐵嚴(yán)重影響到了細(xì)胞的生命活動(dòng)，所以即使后期補(bǔ)充鐵鹽繼續(xù)培養(yǎng)，細(xì)胞的形狀還是受到一定的影響。這樣，可讓學(xué)生理解“無(wú)機(jī)鹽(或鐵鹽)是細(xì)胞必不可少的營(yíng)養(yǎng)成分”的概念。

在“磷酸鹽對(duì)單細(xì)胞綠藻生長(zhǎng)的影響”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生觀察到缺磷的培養(yǎng)組綠藻數(shù)量少，死亡數(shù)目多，就能理解“磷酸鹽在生物生長(zhǎng)、增殖過(guò)程中的重要作用”。在補(bǔ)充適量磷酸鹽的培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)，綠藻數(shù)量又逐漸增多的實(shí)驗(yàn)事實(shí)中，進(jìn)一步明白“無(wú)機(jī)鹽(或磷酸鹽)在細(xì)胞的物質(zhì)代謝和維持正常生命活動(dòng)中的重要作用”。

3 反思與建議

3.1 不斷實(shí)踐是發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)新材料的基礎(chǔ) 在設(shè)計(jì)與“無(wú)機(jī)鹽作用”相關(guān)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，最先使用過(guò)空心菜幼嫩莖尖和西瓜幼苗等，但發(fā)現(xiàn)空心菜在缺鐵的水培過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組沒(méi)有觀察到明顯的差異，這與查閱的文獻(xiàn)資料不太相符[1]；在進(jìn)行西瓜幼苗實(shí)驗(yàn)時(shí)，西瓜種子萌發(fā)至長(zhǎng)出第一片真葉的時(shí)間約為28 d，缺鐵實(shí)驗(yàn)組中的西瓜幼苗在培養(yǎng)5 d后，均出現(xiàn)細(xì)菌感染，難以用于后續(xù)研究。但是，無(wú)論是空心菜還是西瓜苗的水培液，都極易爆發(fā)藻類(lèi)，即便是反復(fù)用蒸餾水沖洗植物根部，也不能避免水培過(guò)程中藻類(lèi)的爆發(fā)。為了避免藻類(lèi)對(duì)空心菜或者西瓜幼苗生長(zhǎng)的影響，在溫度較高的夏季，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不得不每隔幾天更換一次培養(yǎng)液。每次更換營(yíng)養(yǎng)液，繼續(xù)培養(yǎng)2～3 d，均發(fā)現(xiàn)完全營(yíng)養(yǎng)液變綠，而缺素營(yíng)養(yǎng)液中也有變綠的跡象。

藻類(lèi)在自然界中分布極廣，具有生長(zhǎng)快，光合效率高的特點(diǎn)，是水生生態(tài)系統(tǒng)中最主要的生產(chǎn)者，是水生食物鏈的基礎(chǔ)。藻類(lèi)對(duì)周?chē)h(huán)境的變化敏感，現(xiàn)已被人們應(yīng)用于水質(zhì)指示、水質(zhì)凈化方面[4]。經(jīng)過(guò)實(shí)踐之后，發(fā)現(xiàn)藻類(lèi)是中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的好材料。反復(fù)實(shí)踐不僅有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)概念，也對(duì)教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有非常重要的作用。

3.2 實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)最重要的法寶 科學(xué)是基于證據(jù)而構(gòu)建的對(duì)自然現(xiàn)象的解釋。一種有效的科學(xué)教育方式即通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)收集證據(jù)，將概念和實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。例如，“無(wú)機(jī)鹽”這一抽象概念的教學(xué)，結(jié)合 “單細(xì)胞藻類(lèi)在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的生長(zhǎng)情況”實(shí)驗(yàn)，觀察其形態(tài)、數(shù)目的變化，再通過(guò)補(bǔ)充缺少的無(wú)機(jī)鹽，觀察藻類(lèi)生長(zhǎng)的變化。學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，就能主動(dòng)獲得科學(xué)概念，在描述出缺乏某種無(wú)機(jī)鹽，而導(dǎo)致相應(yīng)的缺素癥狀等科學(xué)事實(shí)外，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)必需元素奠定基礎(chǔ)。

利用藻類(lèi)代替綠色植物進(jìn)行“缺素實(shí)驗(yàn)”，能在較短時(shí)間內(nèi)，花費(fèi)較少的精力和實(shí)驗(yàn)藥品，達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生掌握無(wú)機(jī)鹽的相關(guān)概念。另外,通過(guò)實(shí)踐還可幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用磷肥、鐵肥等肥料對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的作用，體會(huì)到科學(xué)與社會(huì)生產(chǎn)的緊密關(guān)系。

(基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助雙創(chuàng)專項(xiàng)，No.XDJK2016E092、XDJK2016E094；*通訊作者)