实验“细胞大小与物质运输的关系”的改进

宋进毅

（云南师范大学附属中学，云南省昆明市，650106）

摘要：现行《普通高中课程标准实验教科书 生物 必修一》中安排了大量实验内容，本文就第5章第1节《细胞的增殖》中“细胞大小与物质运输的关系”这一实验进行了改进和再设计，旨在取得更好的实验结果，更好地培养学生的探究精神。

关键词：高中生物实验；改进；物质运输

现在全国大多数省份普遍使用的《普通高中课程标准实验教科书 生物》（以下简称《生物》）教材也在实验教学上更加重视，除了原有《全日制普通高级中学教科书 生物》（以下简称老教材）中已有的“实验”版块外，还加入了大量的“资料分析”“技能训练”和“探究”内容，这对于全面提升学生的综合素质无疑是有利的。如何处理这些内容，使之最大程度地为教学服务，更好地提升学生的实验水平，是值得我们研究的一个问题。

《生物》必修一中有“实验”版块9个，这9个实验有的是老师们熟知的，老教材上已有的实验，有的则是新增加的，这些实验和理论知识密切结合，一般学校都有条件完成，容易引起学生兴趣，也能体现课程改革后教学目标的转变，是最为广大师生重视的部分。为了充分利用课程资源，更好地完成教学任务，也能不失时机地培养学生的科学探究能力，笔者对《细胞大小与物质运输的关系》这一实验进行了分析和研究，并作出一些改进，希望与广大教师一同探讨。

“细胞大小与物质运输的关系”是《生物》必修一第6章第1节的第一个实验，用于引导学生通过探究细胞的表面积与体积之比与物质运输效率之间的关系，探讨细胞不能无限长大的原因。这是一个典型的探究性实验，实施得好的话，能很好地培养学生的科学探究能力，提升学生的科学素养，但是在实施时，笔者发现一些问题：一是琼脂块变红的边界较为模糊，使得实验数据不够准确，数据误差较大；二是计算比较繁琐；三是教材上给出的步骤太直白，学生只能按部就班地进行操作，难以发挥主观能动性进行自主探究，也缺乏有深度的思考。鉴于此，笔者对实验进行了如下修改：

材料用具：将酚酞加入质量分数为0.1%的氢氧化钠溶液中，加入琼脂粉，加热熔化后冷却，制成3cm×3cm×8cm的琼脂块（呈现红色），质量分数为4%的醋酸溶液（可用市售白醋代替），塑料餐刀，一次性手套，毫米尺，塑料勺，200ml烧杯，纸巾。

方法步骤：

（1）用塑料餐刀将琼脂块切出边长分别为1cm、2cm的正方体各一块，边长为3cm的正方体两块。

（2）将边长分别为1cm、2cm和3cm的琼脂块各一块放入烧杯中，加入质量分数为4%的醋酸溶液，轻轻用塑料勺翻动。注意：塑料勺不能破坏琼脂块表面，也不要让琼脂块互相接触。

（3）记录三个琼脂块中红色褪去的时间，记入下面的表格。

（4）思考：①琼脂块的红色为什么褪去？

①醋酸在每一琼脂块内扩散的速率是否相同？为什么？

②可以看出，琼脂块越大，红色完全褪去的时间越______，这反映了琼脂块大小与醋酸运输速率的关系。但是物质运输速率究竟与表面积有关还是与体积有关？

（5）将剩余的边长为3cm的琼脂块用塑料刀切开但不切断，放入大烧杯中用醋酸浸泡，用塑料勺翻动，并记录红色褪去的时间，与表中的时间作比较。再次回答思考题③。

和原实验相比，我们将要观察的实验现象改为红色的褪去，直接记录红色褪去的时间，既避免了切开每个琼脂块、测量切面上氢氧化钠扩散的深度、计算比值的繁琐，实验的结果又较为清晰、直观。实验中小组内的学生有分工，也有合作，记录的时间长短可以精确到秒，能够准确反映扩散速率的快慢。更重要的是，思考题③的设置比教材上的讨论题更有梯度，能更好地提示学生思考的方向，引导学生从实验设计的“单因子变量原则”想到固定体积和表面积中的一个变量，在教师带领下习得“相对表面积”这个概念，并把它和物质运输速率挂钩。

在实际操作中，教学进行到步骤4时，学生很容易得出“琼脂块越大，红色完全褪去的时间越长，说明物质运输速率和细胞大小成反比”这个结论。这时教师加以进一步引导，提出新问题：“随着边长的增加，琼脂块的体积和表面积都在变化，自变量不唯一，这个问题如何解决？”并限制学生利用剩下的第四个琼脂块进行补充实验。一部分学生利用琼脂的特性，将琼脂块重新溶化塑形，以达到体积不变只改变表面积的目的，这也是一个很好的思路，不过不如直接对琼脂块进行切割简便。通过控制单一变量再进行实验，学生可以修正结论：物质运输速率与体积和表面积都有关系，这时经过教师提示，可以明确，相对表面积越大，细胞的物质运输效率越低，整个实验耗时减少而效果更好。

探究性学习是培养学生的创造能力和创新意识的有效的学习方式，在探究性实验中，学生是否掌握某项具体的知识或技能固然重要，但更重要的是能否对所学知识有所选择、判断、解释、运用，从而有所发现，也就是说，探究不是目的，只是完成培养目标的一种重要手段。探究性学习的过程本身就是他所追求的结果。善加引导，大多数学生可通过拓展实验学习并获得新的生物学基础知识，加深理解和巩固已学得的理论知识，掌握基本技能，培养观察能力、实验操作能力，分析问题和解决问题的能力，并能提高学习兴趣和学习的主动性、积极性。

不同学校的实验设备、师资力量和生源素质存在客观差异，但在实施新教材的实验教学时都可以因势利导，善用资源，或增添设施，或改进操作，以更好适应新教材提出的新要求，全面提升学生的生物学素养。