學科交叉促體驗 實驗創(chuàng)新助探究

羅福海

摘要通過“細胞膜的滲透性實驗”的跨學科融合創(chuàng)新，實現(xiàn)由原來的單一性演示實驗到綜合性探究實驗的轉(zhuǎn)變，對學生生物學核心素養(yǎng)發(fā)展起到了促進作用，收到了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞 生物學 學科核心素養(yǎng) 滲透性實驗 創(chuàng)新

中圖分類號Q-331文獻標志碼B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出高中生物學學科核心素養(yǎng)是落實立德樹人任務(wù)的操作性途徑，是教師開展課堂教學的總目標。學生生物學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展離不開實驗教學，而實驗創(chuàng)新是培養(yǎng)與發(fā)展學生生物學核心素養(yǎng)的有效途徑。

“滲透作用”是人教版（2019年）高中生物學《必修1·分子與細胞》第四章第一節(jié)“被動運輸”中的演示實驗，對學生認識生命活動和生命現(xiàn)象的本質(zhì)特征有一定的益處，但卻不利于學生生物學學科核心素養(yǎng)的提升。下面將這一演示實驗進一步融合與創(chuàng)新，使其成為一個同時具備綜合性、探究性、推理性三位一體的實驗，使學生由原來的根據(jù)實驗步驟毫無思考地操作、去驗證實驗結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^已知的實驗數(shù)據(jù)去自主分析、推理實驗結(jié)果。這種轉(zhuǎn)變不但能夠考查學生運用實驗知識的能力，還能培養(yǎng)學生對實驗數(shù)據(jù)的分析推理能力，同時還能夠引起學生的學習興趣以及思考問題的積極性，進一步加強學生的理解，最重要的是鍛煉學生獨立思考的能力和綜合分析問題能力，有助于發(fā)展學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

1實驗原理

不同的物質(zhì)進出細胞的方式是不同的，這與細胞膜的結(jié)構(gòu)特性與功能特性密切相關(guān)。進出細胞的物質(zhì)本身屬性和細胞膜的結(jié)構(gòu)特性共同影響著細胞膜的通透性?，F(xiàn)已知影響物質(zhì)通透性的因素主要有脂溶性、分子大小、是否帶電荷（離子）。本實驗需運用化學知識解決生物學問題，學生只有深刻理解上述3個因素，才能做出正確判斷及推理。

2實驗材料

本實驗選用兔血作為溶血材料，實驗選取8種溶液，分成兩組，每組4種溶液，第一組為鹽溶液（物質(zhì)量分數(shù)分別為0.17 mol/L的氯化鈉溶液、0.17 mol/L的氯化銨、0.17 mol/L的乙酸銨溶液，0.12 mol/L的草酸銨溶液），第二組為有機溶液（物質(zhì)量分數(shù)分別為0.32 mol/L的葡萄糖溶液，0.32 mol/L的甘油溶液，0.32 mol/L的丙酮溶液，0.32 mol/L的乙醇溶液），分別用1～8的數(shù)字排序貼標簽，量取對應(yīng)溶液的量筒同樣標明對應(yīng)編號。

3實驗方法與實驗步驟

取8支干凈試管，分別在試管上貼上有1～8編號的標簽，依次用不同的量筒從8種不同溶液的試劑瓶中量取10 mL相應(yīng)的溶液，用滴管向每支試管中依次加入1 mL稀釋的兔血細胞懸液，計時觀察是否出現(xiàn)溶血現(xiàn)象。

另外，分別從已經(jīng)判斷出來的完全溶血、不完全溶血、不溶血的試管中吸取適量溶液，制作成裝片并在顯微鏡下觀察。同時另取稀釋的血細胞懸液裝片作為空白對照實驗，觀察其溶血狀況。

4實驗結(jié)果與分析

4.1實驗結(jié)果的差異

實驗結(jié)果（表1）顯示，引起紅細胞溶血速率最快的是水分子。這是因為水是極性小分子，并且紅細胞的細胞膜上具有水通道蛋白，水通道蛋白參與了水分子的協(xié)助擴散。這就導致了水分子進入紅細胞的速率遠比另一種被動運輸方式——自由擴散快。因此，水分子的進入導致紅細胞的溶血現(xiàn)象就可以作為其他物質(zhì)導致溶血現(xiàn)象出現(xiàn)的參考依據(jù)。

從實驗結(jié)果可以看出：兩組對比實驗中，都會有1種溶液不能導致溶血反應(yīng)的發(fā)生，每組剩余的其他3種溶液皆能夠發(fā)生溶血現(xiàn)象。同時，經(jīng)過對比，各組都表現(xiàn)出溶血速率的差異。

實驗需要學生對4種鹽溶液從電解質(zhì)強弱的層面進一部做出判斷，需要了解鈉鹽與銨鹽物質(zhì)性質(zhì)的區(qū)別所在。經(jīng)過查閱資料，學生不難發(fā)現(xiàn)，在實驗中用到的氯化鈉溶液屬于強電解質(zhì)，銨鹽屬于弱電解質(zhì)。根據(jù)“易穿膜的物質(zhì)是不帶電荷的分子，而對于同樣大小的分子而言，非電解質(zhì)的跨膜運輸速率要遠遠快于電解質(zhì)物質(zhì)，相應(yīng)地，弱電解質(zhì)也比強電解質(zhì)的運輸速率快”這一運輸規(guī)律，學生不難推測出未能發(fā)生溶血現(xiàn)象的是氯化鈉溶液。本實驗的難點之處是學生如何分析3種銨鹽的水解反應(yīng)以及它們導致的溶血原因。這需要學生自主查閱文獻資料，再對這三種銨鹽產(chǎn)生水解反應(yīng)的情況作出分析判斷，最終知曉：這三種銨鹽溶液雖然都是弱電解質(zhì)，但是仍然有著有強弱之分，它們水解后得到的分子數(shù)量也不同，如乙酸銨水解產(chǎn)生乙酸和NH3·H2O，草酸銨水解產(chǎn)生NH3·H2O和乙酸（少量），而氯化銨水解只產(chǎn)生NH3·H2O，根據(jù)不帶電荷的分子越多越容易穿膜運輸，溶血現(xiàn)象也發(fā)生的越快。由此，得知3種溶液的溶血時間依次為：T氯化銨>T草酸銨>T乙酸銨，依次對應(yīng)據(jù)表1中的3、

1、2號試管。

對于第二組有機溶液的分組實驗的觀察、分析，有機溶液遵從相似相溶這一原理，有機分子常常通過自由擴散的方式進入紅細胞。經(jīng)觀察四組實驗結(jié)果，其中同樣有1種溶液不溶血，學生依據(jù)已有知識，可以得出，葡萄糖屬于大分子物質(zhì)范疇，不能通過自由擴散的方式進入紅細胞，因此能夠迅速判斷出不發(fā)生溶血現(xiàn)象的是葡萄糖溶液。本組實驗的難點在于乙醇、丙酮、甘油這三者在該濃度屬于等滲溶液，而對于學生來說較難做出推斷的是乙醇和丙酮。很多時候，學生根據(jù)己有知識分析其分子大小，往往忽略了脂溶性，從而容易得出錯誤的結(jié)論。在影響物質(zhì)滲透性的因素中：“脂溶性比分子大小的影響力更強”。此時，教師應(yīng)適當提示學生，告訴學生脂溶性與分子極性的相關(guān)性，引導學生，從分子極性值的角度去考慮這一問題。關(guān)于分子極性值的內(nèi)容，需要學生自主查閱資料才可以得到。學生通過查閱文獻等可以得到分子極性也就是分子對稱性大小為甘油>乙醇>丙酮，從而重新作出正確的實驗結(jié)果判斷。

最后，教師通過使用顯微鏡觀察溶血情況裝片這一環(huán)節(jié)，促進學生回顧血涂片的制片技術(shù)以及顯微鏡使用的規(guī)范方法，再利用觀察得到的結(jié)果進一步證明不同溶液導致的溶血現(xiàn)象。這能夠給學生一個直觀的視覺印象，進一步加深學生對溶血現(xiàn)象的理解，同時也豐富了實驗教學內(nèi)容。

4.2實驗創(chuàng)新效果分析

本探究實驗不但能引起學生的探索欲望，還能培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。教師在實驗前做出提示，溶血時間是推斷實驗結(jié)果產(chǎn)生的重要因素，要求學生仔細觀察并記錄溶血時間。這樣能夠提升實驗課的課堂效率。實驗完成后，小組針對各組的實驗結(jié)果分析討論，如有不同意見或者出現(xiàn)實驗結(jié)果不準確的現(xiàn)象，需師生共同討論解決。對于實驗結(jié)果的推理，學生需要根據(jù)已有知識去主動查閱文獻資料，以小組為單位自主學習并進行比較，才能認識到不同物質(zhì)溶血跟溶液濃度相關(guān)，促進形成生命觀念。學生很難根據(jù)實驗數(shù)據(jù)直接作出正確的推斷，需要運用化學知識，通過分析和推斷最終得出實驗結(jié)果。這樣，學生對細胞膜通透性的理解會更直觀更深刻，有助于形成科學思維，并運用科學探究理解科學本質(zhì)。

5討論

在“細胞膜的滲透性實驗”中，由于小組與小組之間在判斷標準以及操作過程中有著較強的主觀性，最后得到的的溶血時間數(shù)據(jù)也存在著差異。但是，只要同組判斷溶血的標準和操作方法得當，對實驗結(jié)果的推斷就幾乎沒有影響。如果出現(xiàn)有些溶液的溶血時間相差幾秒的現(xiàn)象，可能是實驗操作不當，導致讀數(shù)不準確，會影響到實驗結(jié)果的分析。因此，為了保證實驗結(jié)果的準確度，教師應(yīng)采取以下措施：①判斷標準的統(tǒng)一。將學生分成若干組，每組分為3～4人，并在小組中指定1人負責觀察溶血現(xiàn)象，以低滲溶液也就是蒸餾水的完全溶血現(xiàn)象為參照對象。②加樣操作的規(guī)范。為了減小實驗的誤差，在紅細胞懸液中加入測試溶液的過程中，輕輕晃動試管2～3次，再靜置觀察。需注意不能強力晃動，以免人為造成紅細胞破裂加快溶血，導致實驗誤差。③取多次測量的平均值。實驗過程中，為了減小實驗誤差，可以通過多次測量取平均值的方法。

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