“生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制”實(shí)驗(yàn)在“穩(wěn)態(tài)”大概念教學(xué)中的作用*

鄭自展 李常歡 霍 靜**

（1 湖北省水果湖高級(jí)中學(xué) 湖北武漢 430071 2 西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 重慶北碚 400715）

普通高中生物學(xué)的課程改革將“內(nèi)容聚焦大概念”作為基本理念，為進(jìn)一步突出教學(xué)重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容“少而精”提供保障［1］。例如，“穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)”模塊，要落實(shí)“生命個(gè)體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，各結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)統(tǒng)一共同完成復(fù)雜的生命活動(dòng)，并通過(guò)一定的調(diào)節(jié)機(jī)制保持穩(wěn)態(tài)”的大概念，認(rèn)識(shí)“體液”是獲得此大概念的基礎(chǔ)。體液是人和動(dòng)物體內(nèi)的液體，屬于高等動(dòng)物的專屬概念，由自由水和溶解在其中的離子及化合物組成。細(xì)胞膜將體液分隔成細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液。細(xì)胞外液成為機(jī)體在“神經(jīng)-體液-免疫”調(diào)控下，各器官、系統(tǒng)協(xié)調(diào)活動(dòng)，維持“穩(wěn)態(tài)”的媒介，也稱為內(nèi)環(huán)境。

課程標(biāo)準(zhǔn)在“教學(xué)提示”中指出，應(yīng)開(kāi)設(shè)“比較清水、緩沖液、體液對(duì)pH 值變化的調(diào)節(jié)作用”等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比較不同溶液或生物材料，在加入一定量酸或堿溶液后，記錄并分析溶液pH 值的變化情況，幫助學(xué)生理解內(nèi)環(huán)境的pH 值能保持穩(wěn)定，為學(xué)生形成“穩(wěn)態(tài)”大概念奠定基礎(chǔ)。但“內(nèi)環(huán)境”“細(xì)胞外液”“體液”等名詞，又是學(xué)生易混淆的生物學(xué)術(shù)語(yǔ)。本研究以“生物體維持pH 穩(wěn)定的機(jī)制”實(shí)驗(yàn)為載體，探討建立“穩(wěn)態(tài)”大概念的要點(diǎn)。

1 辨析實(shí)驗(yàn)材料，澄清迷思概念

中學(xué)開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)的選材較為多樣。教材建議選用的生物材料為肝勻漿、馬鈴薯勻漿、稀釋后的雞蛋清及黃瓜勻漿等，也有教師在教材的基礎(chǔ)上，增選了白菜汁、蘿卜汁、梨汁和橘汁［2］等材料。對(duì)這些不同生物液體的來(lái)源與性質(zhì)進(jìn)行辨析（表1）。

表1 不同生物液體材料的來(lái)源辨析

細(xì)胞內(nèi)液是高等動(dòng)物機(jī)體內(nèi)最大的含水區(qū)域，富含大量的K+、HPO42-、Ca2+等，主要包括核液、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、細(xì)胞器基質(zhì)等液體，由細(xì)胞膜包被，維持細(xì)胞的形態(tài)；細(xì)胞外液是血漿、組織液和淋巴動(dòng)態(tài)的有機(jī)聯(lián)系，構(gòu)成了機(jī)體內(nèi)細(xì)胞直接生活的環(huán)境，又稱內(nèi)環(huán)境，含有大量的Na+、Cl-、HCO3-和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；腦脊液是機(jī)體內(nèi)與外界不相通的液體，也屬于細(xì)胞外液。細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液二者在離子組成上有較大的差異。動(dòng)物血液由血細(xì)胞和血漿組成，既包含了細(xì)胞（細(xì)胞內(nèi)液），又包含了細(xì)胞外液的成分。含有細(xì)胞內(nèi)液的細(xì)胞，生活在細(xì)胞外液中，并通過(guò)細(xì)胞外液與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，同時(shí)細(xì)胞內(nèi)液與細(xì)胞外液共同保持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡，對(duì)維持細(xì)胞正常形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能起到了重要的作用。

理解“穩(wěn)態(tài)”大概念時(shí)，使用動(dòng)物的肝勻漿，無(wú)法區(qū)分細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的液體，在實(shí)驗(yàn)選材上混淆了“體液”“細(xì)胞外液”“細(xì)胞內(nèi)液”的概念；同時(shí)，植物細(xì)胞的質(zhì)膜具有選擇透過(guò)性，能維持細(xì)胞相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境，植物體的內(nèi)部環(huán)境可理解為細(xì)胞內(nèi)的液體環(huán)境，一般不區(qū)分細(xì)胞內(nèi)液和外液，選擇植物材料與實(shí)驗(yàn)對(duì)“體液”穩(wěn)定性的研究并不匹配。教學(xué)的任務(wù)是幫助學(xué)生澄清迷思概念，若實(shí)驗(yàn)材料選擇不當(dāng)，不僅不能澄清迷思概念［3］，反而導(dǎo)致概念相互混淆。

本研究建議采用自制的新鮮兔血漿，即用市售含肝素的一次性真空采血管采集家兔全血，離心（3 000 r／min，10 min），靜置，待分離上層黃色透明液體可立即使用，或低溫?zé)o菌凍存，待用時(shí)37℃水浴緩慢解凍后使用；0.01 mol／L PBS 溶液（即磷酸鹽緩沖液，主要成分為磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、氯化鈉及氯化鉀等），目前已有市售的PBS（pH=7.0）干粉，可按照說(shuō)明書，一次配制1 L的用量，經(jīng)高溫濕熱滅菌后低溫保存；和蒸餾水作為實(shí)驗(yàn)材料。兔新鮮血漿是哺乳動(dòng)物典型的內(nèi)環(huán)境，觀察它在酸堿環(huán)境中pH 值的變化情況，學(xué)生能對(duì)應(yīng)“血漿”代表的“內(nèi)環(huán)境”。如果實(shí)驗(yàn)不能收集到新鮮的兔血漿，可購(gòu)買小牛血清替代。血清中雖不含有纖維蛋白原，卻保留了血漿中絕大多數(shù)的緩沖對(duì)，也能較好地模擬機(jī)體的內(nèi)環(huán)境生理生化特征，減輕實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的工作量，同樣能得到近似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 利用預(yù)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化科學(xué)探究

科學(xué)探究是一種解決問(wèn)題的思維方式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)“比較清水、緩沖液、體液對(duì)pH 值變化的調(diào)節(jié)作用”，提出具體的問(wèn)題“清水、緩沖液、體液對(duì)酸（堿）性物質(zhì)的調(diào)節(jié)能力，哪一個(gè)更強(qiáng)？ ”據(jù)此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就轉(zhuǎn)為“加入什么樣的酸或堿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”及“加入的濃度和用量是多少”的問(wèn)題。內(nèi)環(huán)境的“穩(wěn)態(tài)”并非一成不變，學(xué)生通過(guò)與緩沖液進(jìn)行比較，理解“緩沖對(duì)”在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定的作用。緩沖液比體液的緩沖能力弱，需要通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)對(duì)加入的酸（堿）用量作出“預(yù)判”，才能保證實(shí)驗(yàn)成功。

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，找到了在一定的反應(yīng)體系中，每次加入具體的酸（或堿）的量（例如10 mL 的體系，每次加入10 μL 的1.2 mol／L 的HCl 或1.2 mol／L的NaOH），為進(jìn)一步實(shí)施實(shí)驗(yàn)，觀察“緩沖”的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程做好準(zhǔn)備。

預(yù)實(shí)驗(yàn)還可對(duì)測(cè)量工具進(jìn)行優(yōu)化。精密pH值試紙測(cè)量范圍有限，試紙顯色時(shí)易出現(xiàn)觀察誤差。建議選用pH 計(jì)測(cè)量各溶液中pH 值的變化，不僅操作便捷，能連續(xù)測(cè)定一系列數(shù)據(jù)，而且還能讓學(xué)生體驗(yàn)科技進(jìn)步給實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)的便利。

在方案實(shí)施及結(jié)果討論中，學(xué)生能逐漸掌握基本的科學(xué)研究方法，提升創(chuàng)新能力，并能更好地認(rèn)識(shí)到在解決問(wèn)題的過(guò)程中，通過(guò)“預(yù)實(shí)驗(yàn)”對(duì)問(wèn)題解決的具體操作進(jìn)行預(yù)判，能提高解決問(wèn)題的效率。

3 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)科學(xué)思維

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，是科學(xué)研究的重要組成部分。通過(guò)逐滴加入酸或堿，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將定性的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎康膶?shí)驗(yàn)，能體現(xiàn)生物學(xué)的學(xué)科性質(zhì)?？茖W(xué)研究中記錄數(shù)據(jù)，并不能直接地體現(xiàn)規(guī)律，但將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表，就能更為直觀地反映數(shù)據(jù)的特征，找到數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，幫助研究者客觀地得出結(jié)論。

圖1 各待測(cè)液pH 值變化情況示意圖

由圖1可知，隨著HCl 溶液加入量不斷增加，蒸餾水的pH 值迅速下降，蒸餾水不具備緩沖能力。此時(shí)，PBS 溶液和兔新鮮血漿的pH 值緩慢降低，說(shuō)明兔新鮮血漿和PBS 溶液對(duì)外來(lái)酸性物質(zhì)的緩沖能力比蒸餾水強(qiáng)。在第9 次加入HCl 溶液（共加入90 μL）后，PBS 的緩沖能力迅速降低，說(shuō)明此時(shí)10 mL 的PBS 體系有效維持穩(wěn)定狀態(tài)的能力喪失，而兔新鮮血漿的pH 值一直保持緩慢降低的趨勢(shì)，在繼續(xù)加入HCl 后，也沒(méi)有完全喪失緩沖的能力。

隨著NaOH 加入量的不斷增加，蒸餾水、PBS溶液、兔新鮮血漿的pH 值呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)。在第1 次加入NaOH 時(shí)，10 mL 體系的蒸餾水緩沖能力已“崩潰”；在第2 次加入NaOH 后，10 mL PBS 體系的pH 值急劇上升，說(shuō)明緩沖能力也即將“崩潰”；而兔新鮮血漿在多次加入NaOH后，pH 值一直保持緩慢上升的趨勢(shì)，說(shuō)明其一直保持著緩沖的能力，且兔新鮮血漿在抵抗酸堿的能力表現(xiàn)上較為一致，但PBS 溶液和蒸餾水抗酸的能力強(qiáng)于抗堿的能力。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖表（圖1），學(xué)生能真實(shí)地觀察到各待測(cè)液pH 值的線性變化，認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)處理的重要意義。

科學(xué)思維是生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分，基于事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用分析綜合、抽象概括、推理論證等方法，進(jìn)行理性分析，探討、闡釋生命現(xiàn)象和規(guī)律。根據(jù)酸、堿的加入量和pH 值測(cè)定值，基于實(shí)驗(yàn)收集的事實(shí)（數(shù)據(jù)），將圖表轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)曲線圖，直觀呈現(xiàn)pH 值變化趨勢(shì)，能清晰比較不同溶液的緩沖能力；利用不同溶液的體系“崩潰點(diǎn)”，根據(jù)超過(guò)一定范圍發(fā)生穩(wěn)態(tài)“崩潰”的現(xiàn)象，探討緩沖體系在維持穩(wěn)態(tài)上的有限性，更好地理解內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的相對(duì)性，學(xué)會(huì)辯證地看待事物的發(fā)展。綜合分析得到結(jié)論，3 種不同的實(shí)驗(yàn)溶液，溶液體系所含成分越復(fù)雜，維持pH 值穩(wěn)定的能力越強(qiáng)。在抵抗外來(lái)酸、堿的能力上，新鮮兔漿>PBS 溶液>蒸餾水，即在有外來(lái)干擾時(shí)，新鮮兔血漿能較好地維持體系相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)論，幫助學(xué)生更好地理解機(jī)體調(diào)節(jié)酸堿平衡最迅速的途徑是血液緩沖系統(tǒng)。人體在新陳代謝過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生乳酸、碳酸等酸性物質(zhì)，但正常人的動(dòng)脈血pH 值仍為7.35～7.45，不會(huì)因酸性或堿性的物質(zhì)進(jìn)入血液而引起pH 值的較大波動(dòng)。血漿中足夠濃度及適當(dāng)比例的共軛酸堿對(duì)能清除酸（堿）物質(zhì)，最終通過(guò)肺和腎的調(diào)節(jié)作用排出體外，維持機(jī)體pH 值的穩(wěn)態(tài)。該實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，為進(jìn)一步理解“生物個(gè)體通過(guò)一定的調(diào)節(jié)機(jī)制保持穩(wěn)態(tài)”的大概念奠定了基礎(chǔ)。