在實驗再探究中提升學(xué)生的科學(xué)探究能力
——以“植物細胞的吸水和失水”為例

江蘇 章 青

科學(xué)探究是學(xué)科核心素養(yǎng)之一，教師在實驗教學(xué)中，根據(jù)實驗中出現(xiàn)的問題進行再探究，以及對實驗的改進與拓展，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的一個重要途徑。探究實驗的基本流程為提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計實驗、進行實驗、分析結(jié)果與得出結(jié)論、表達和交流、進一步探究。而“進一步探究”環(huán)節(jié)往往被忽視，“進一步探究”是對所進行實驗中存在的問題進行再探究，包括對實驗過程的優(yōu)化、實驗材料與試劑的優(yōu)選、實驗原理的拓展與應(yīng)用等。下面筆者以“植物細胞的吸水和失水”實驗為例來進行具體說明。

1.實驗原理分析

“植物細胞的吸水和失水”實驗的原理是滲透作用，發(fā)生滲透作用應(yīng)該具備兩個條件：半透膜以及半透膜兩側(cè)的溶液存在濃度差。因此在實驗原理分析時要將典型的滲透裝置與植物細胞所處的環(huán)境進行類比（如圖1），植物細胞的原生質(zhì)層相當(dāng)于滲透裝置中的半透膜，細胞液與外界溶液相當(dāng)于滲透裝置中半透膜兩側(cè)的溶液，如果細胞液與外界溶液之間存在濃度差，就可以發(fā)生滲透作用。

圖1

2.實驗過程剖析

植物細胞的細胞液與外界溶液之間是否能夠發(fā)生滲透作用，需通過設(shè)計實驗來進行驗證，實驗的基本步驟如圖2所示。

圖2

2.1 實驗過程中應(yīng)注意的細節(jié)

①在制作裝片時，應(yīng)用鑷子夾取蓋玻片，讓其一側(cè)接觸載玻片，并且接觸水滴，然后輕輕地放平，這樣可以防止氣泡產(chǎn)生。②實驗中三次使用顯微鏡觀察都是采用低倍鏡，不需要使用高倍鏡觀察。③兩次分別在蓋玻片的一側(cè)滴加蔗糖溶液與清水，在蓋玻片的另一側(cè)用吸水紙吸引，這種操作需要重復(fù)幾次，才能使洋蔥表皮細胞周圍充滿相應(yīng)的液體。

2.2 實驗異常分析

如果在實驗過程中發(fā)生質(zhì)壁分離的細胞在滴加清水后不能發(fā)生質(zhì)壁分離的復(fù)原，則表明植物細胞失水過多死亡，可能是植物細胞質(zhì)壁分離后放置時間過長，或者是蔗糖溶液濃度過高造成的。

2.3 實驗中是否有對照實驗

該實驗共進行三次觀察，第一次觀察是清水制作的裝片，即自然狀態(tài)下的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞；第二次觀察是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3 g/mL的蔗糖溶液處理后發(fā)生質(zhì)壁分離的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞；第三次觀察是用清水處理后發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞。這里包含兩次對照實驗：第一次（對照組）與第二次（實驗組）進行對照，第二次（對照組）與第三次（實驗組）進行對照，該實驗是前后對照，并不需要單獨設(shè)置空白對照。

3.實驗改進

3.1 實驗分析

教材上使用紫色洋蔥鱗片葉外表皮進行實驗，紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞由于液泡中含有紫色的色素，并且液泡在成熟植物細胞中占據(jù)的體積為90%以上，因此，可通過觀察紫色范圍大小的改變程度來判斷質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離的復(fù)原的程度。但仔細分析細胞的結(jié)構(gòu)會發(fā)現(xiàn)，液泡呈紫色（如圖3），發(fā)生質(zhì)壁分離時紫色部分并不包括原生質(zhì)層，由于原生質(zhì)層是無色的（如圖4），就被認(rèn)定為是外界溶液，這顯然是不科學(xué)的，如何避免出現(xiàn)這種情況呢?筆者認(rèn)為可以進行再探究，嘗試從實驗材料與實驗試劑上對實驗進行優(yōu)化。

圖3 正常的植物細胞

圖4 質(zhì)壁分離的植物細胞

3.2 實驗材料的改進

在實驗中可以選用無色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞作為材料，在含紅墨水的蔗糖溶液中，通過顯微鏡可觀察到很明顯的無色洋蔥內(nèi)表皮細胞質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離復(fù)原的現(xiàn)象。這種方法的優(yōu)點：第一是撕取洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮比撕取外表皮更容易得到單層細胞，操作方便；第二是質(zhì)壁分離后呈紅色的部分是外界溶液，而無色的部分是原生質(zhì)體，即包括細胞膜、細胞質(zhì)、液泡等結(jié)構(gòu)，這樣觀察到的無色部分的最外邊界，即細胞膜，使得實驗更加科學(xué)合理。

此外還可以利用黑藻或苔蘚的葉片來進行實驗，雖然黑藻與苔蘚葉肉細胞沒有紫色液泡，但并不影響觀察質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離復(fù)原的現(xiàn)象，因為黑藻與苔蘚液泡周圍的細胞質(zhì)中布滿了葉綠體，幾乎整個細胞都是綠色的，與無色的外界溶液有明顯區(qū)別，很容易觀察到質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離復(fù)原的現(xiàn)象，并且綠色的部分是原生質(zhì)體，而無色的部分是外界溶液，這樣就不會將原生質(zhì)層誤認(rèn)為是外界溶液了。

3.3 實驗試劑的改進

蔗糖溶液帶有一定的黏性，操作不當(dāng)會污染物鏡且不容易清洗，影響實驗器材的使用。筆者發(fā)現(xiàn)用食鹽作為溶質(zhì)配制質(zhì)壁分離試劑比用蔗糖溶液更好，如果用洋蔥表皮細胞做實驗，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～4%的食鹽溶液是比較適合的，標(biāo)本浸泡2分鐘后質(zhì)壁分離現(xiàn)象逐漸明顯。當(dāng)然在實驗前教師要根據(jù)實際材料的不同先進行預(yù)實驗，找到適宜濃度的食鹽溶液。在以無色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞為材料進行實驗時，還可以在蔗糖溶液中滴加紅墨水。在實驗中也可以使用濃度為0.07 g/mL～0.13 g/mL的KNO3溶液替代蔗糖溶液進行實驗，由于KNO3溶液中的K+與可被洋蔥鱗片葉表皮細胞吸收而導(dǎo)致質(zhì)壁分離后自動復(fù)原，這樣可以省去滴加清水使發(fā)生質(zhì)壁分離的細胞再復(fù)原的步驟，使實驗時間縮短。

【例1】在進行質(zhì)壁分離實驗時，有學(xué)生用兩種方法進行實驗：①用紫色的洋蔥鱗片葉外表皮細胞及0.3 g/mL蔗糖溶液；②用無色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞及與0.3 g/mL蔗糖溶液等滲的胭脂紅溶液（胭脂紅是一種水溶性的大分子食用色素，呈紅色）。結(jié)果如圖5所示，下列有關(guān)敘述正確的是（ ）

圖5

A.測定液泡大小變化最好選用方法②

B.兩種方法中細胞液中的水分子都是從內(nèi)向外運動

C.①中的紫色與②中的無色部位的結(jié)構(gòu)不完全相同

D.測定原生質(zhì)層與細胞壁間的分離程度最好選用方法①

【答案】C

【分析】此題是將常規(guī)實驗材料與改進的實驗材料進行比較，想答對這道題必須明確液泡的外面還有一薄層的原生質(zhì)層，這是在用紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞作為實驗材料的實驗中觀察不到的。

4.實驗拓展與應(yīng)用

4.1 判斷成熟植物細胞的死活

死細胞、動物細胞及未成熟的植物細胞（如根尖分生區(qū)細胞）不發(fā)生質(zhì)壁分離及復(fù)原現(xiàn)象，只有具有中央大液泡的成熟植物細胞可發(fā)生質(zhì)壁分離及復(fù)原現(xiàn)象。因此，可以應(yīng)用質(zhì)壁分離與復(fù)原實驗判斷一個成熟的植物細胞是死細胞還是活細胞。

4.2 判斷質(zhì)壁分離實驗試劑類別

成熟植物細胞在一定濃度（溶質(zhì)不能透過膜結(jié)構(gòu)）的溶液中只會發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，不能發(fā)生自動復(fù)原現(xiàn)象，只有用清水或低滲溶液處理才能復(fù)原，如蔗糖不能通過洋蔥鱗片葉表皮細胞。在一定濃度的溶質(zhì)可透過膜的溶液中，如KNO3、尿素、甘油等溶液，進行實驗時可發(fā)生質(zhì)壁分離后自動復(fù)原的現(xiàn)象。在高濃度溶液中可發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，但由于過度失水而使細胞死亡，原生質(zhì)層失去了選擇透過性，則不會發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原的現(xiàn)象。

【例2】圖6為某同學(xué)利用紫色洋蔥鱗片葉作為實驗材料，觀察植物細胞質(zhì)壁分離與復(fù)原的基本操作步驟。下列相關(guān)敘述錯誤的是（ ）

圖6

A.d和b形成對照，f和d形成對照

B.該實驗可觀察到液泡的顏色和大小

C.將蔗糖溶液換成濃度適宜的KNO3溶液，則可以省略e步驟

D.增大蔗糖溶液的濃度，實驗效果會更明顯且不影響細胞的活性

【答案】D

【分析】此實驗中的前后觀察互為對照。如果將蔗糖溶液換成濃度適宜的KNO3溶液，由于在細胞失水的同時，不斷以主動運輸?shù)姆绞将@得K+和NO-3，導(dǎo)致細胞液濃度升高，當(dāng)細胞液濃度大于外界溶液濃度時，細胞開始吸水，從而出現(xiàn)質(zhì)壁分離自動復(fù)原的現(xiàn)象。如果蔗糖溶液的濃度過高，會導(dǎo)致細胞因過度失水而死亡。

4.3 測定細胞液濃度

配制一系列濃度梯度的蔗糖溶液，分別制作待測成熟植物細胞的臨時裝片，觀察裝片中待測成熟植物細胞的狀態(tài)。細胞液濃度介于未發(fā)生質(zhì)壁分離和剛發(fā)生質(zhì)壁分離的蔗糖溶液濃度之間。

【例3】為探究植物甲能否移植到甲地生長，某生物學(xué)研究性學(xué)習(xí)小組通過實驗測定了植物甲細胞液的濃度，實驗結(jié)果如下表所示。為保證植物甲移植后能正常生存，則甲地土壤溶液的濃度應(yīng)為（ ）

A.≤0.15 mol/L B.≤0.2 mol/L

C.≥0.2 mol/L D.≥0.3 mol/L

【答案】A

【分析】通過實驗得知植物甲的細胞液濃度介于不發(fā)生質(zhì)壁分離與剛分離之間（0.15 mol/L～0.2 mol/L），由于這是移栽植物，植物需要吸收水分，因此甲地的土壤溶液濃度應(yīng)小于等于0.15 mol/L。

4.4 破壞原生質(zhì)層對實驗的影響

質(zhì)壁分離與復(fù)原的前提條件是原生質(zhì)層有活性，如果用酸、堿或高溫破壞原生質(zhì)層，原生質(zhì)層便會失去選擇透過性，就不能發(fā)生質(zhì)壁分離或質(zhì)壁分離的復(fù)原。如果用高濃度溶液處理細胞會使細胞過度失水而死亡，高溫、酸或堿處理細胞會使細胞死亡，從而導(dǎo)致原生質(zhì)層被破壞，生物膜失去選擇透過性，從而不能發(fā)生質(zhì)壁分離與復(fù)原現(xiàn)象，并且使細胞中的色素能夠從細胞中擴散到外界溶液中。

【例4】按下面步驟進行質(zhì)壁分離實驗，回答相關(guān)問題：步驟一：在潔凈的載玻片中央加一滴清水，取一片蘚類小葉，蓋上蓋玻片。

步驟二：從蓋玻片一側(cè)滴入0.3 g/mL的蔗糖溶液，在蓋玻片的另一側(cè)用吸水紙吸引。這樣重復(fù)幾次，使蓋玻片下面的蘚類小葉浸潤在0.3 g/mL的蔗糖溶液中。

步驟三：在顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖7所示。

圖7

（1）圖中A、B處的顏色分別是________。

（2）如果上述實驗步驟二中從蓋玻片的一側(cè)滴入的是加有伊紅（植物細胞不吸收的紅色染料）的0.3 g/mL的蔗糖溶液，則在顯微鏡下觀察到A、B處顏色分別是_________。

（3）如果用與0.3 g/mL的蔗糖溶液等滲的KNO3溶液中進行實驗會出現(xiàn)的現(xiàn)象是__________________。

（4）如果將步驟二中浸潤在0.3 g/mL的蔗糖溶液中的蘚類小葉的裝片，放在80℃條件下處理一段時間（裝片中的蘚類小葉保持在0.3 g/mL的蔗糖溶液中）。在顯微鏡下不能觀察到質(zhì)壁分離的復(fù)原，并且發(fā)現(xiàn)A處呈綠色，可能的原因是_______。

【答案】（1）無色、綠色 （2）紅色、綠色 （3）先發(fā)生質(zhì)壁分離，然后會自動發(fā)生質(zhì)壁分離的復(fù)原 （4）高溫下細胞膜、葉綠體膜失去選擇透過性，葉綠素等色素進入A處

總之，除對教材實驗流程要掌握外，還要對實驗原理進行細致分析，對實驗中出現(xiàn)的新問題進行再探究，對實驗試劑、材料、步驟根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況進行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上進行拓展與延伸，這樣不僅能使學(xué)生掌握實驗的基礎(chǔ)知識，也能夠提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。