“观察植物细胞质壁分离与复原”实验教学设计与拓展

朱凤云

1.实验内容分析及实验设计思路

该设计案例为苏教版必修一第四章第一节“物质跨膜运输的方式”中的探究实验。在此之前，学生已经学习了渗透的原理，对半透膜、渗透作用及渗透装置的组成有了一定的认识。具有这样的知识基础上，教师引导学生探究植物细胞的质壁分离和复原，使学生能够充分理解一个成熟的植物细胞与外界溶液一起构成典型的渗透系统。学生只有通过实验操作和观察质壁分离和复原的现象，获得细胞吸水、失水与外界溶液浓度关系的感性认识，才能深入理解成熟的植物细胞是一个渗透系统以及影响细胞渗透吸水的内外条件。

学生先根据教材内容完成探究实验的过程，然后再进一步探究以下问题：

（1）不同浓度的试剂对同一种植物材料吸水和失水的影响；

（2）同一浓度的试剂对不同种植物材料吸水和失水的影响，比较出不同种植物的细胞液浓度大小；

（3）不同种试剂对植物细胞失水和吸水的影响；

（4）死亡的植物细胞能否发生渗透作用？

通过一系列的实验，师生共同参与，学生自主探究，让学生经历“提出问题-作出假设-设计实验-实施操作-观察结果-得出结论”的探究历程，培养学生严谨的科学态度和勇于探索的精神。教师借助多媒体手段，以突出重点，突破难点，增加知识容量，提高课堂效率。

2.与学生生活实际的联系

生活中很多现象都与植物细胞的吸水与失水有关，例如：泡在盐水中的萝卜条会变软，泡在清水中的萝卜条会更加硬挺；泡菜制作时加入一些盐，水分就会渗出来；农作物施肥过多，就会造成“烧苗”的现象等。通过本实验的学习，使学生更深入地理解生活中的这些现象，并作出合理解释。

3.教学目标

3.1知识目标

（1）理解植物细胞通过渗透作用吸水或失水的原理。

（2）学会观察植物细胞质壁分离与复原的方法。

3.2能力目标

（1）通过实践，掌握临时装片的制作方法和实验的一般步骤；

（2）进一步熟悉高倍显微镜的使用；

（3）通过课本实验的学习，提出可行性的探究问题，并小组讨论制定探究方案，尝试得出结论。

3.3情感、态度与价值观目标

（1）亲手实验，激发学习生命科学的兴趣，分析生活中与渗透作用有关的现象；

（2）体会科学研究的乐趣，培养在科学研究中一丝不苟的科学态度和实事求是的科学精神；

（3）学会合作分工，与他人分享实验成果。

4.教学重点、难点及解决的教学策略

（1）教学重点：引导学生探究实验，确定实验的材料、试剂的种类与浓度，并进行应用创新。

教学策略：用不同浓度的蔗糖溶液探究实验的结果，用课件展示成熟植物细胞的结构图，分析其与渗透系统的关系。在此基础上让学生讨论选择紫色洋葱的外表皮细胞和0.3g/mL的蔗糖溶液的原因，并且进一步分析浓度大小对质壁分离的影响。

创新之处：①用绿色植物的叶肉细胞代替紫色洋葱的外表皮细胞，重复该探究实验。

②用无色的洋葱表皮细胞代替紫色洋葱的外表皮细胞，但在外界溶液中滴加胭脂红溶液对其染色，再观察实验的结果。

③用0.3g/mL的KN03溶液代替0.3g/mL的蔗糖溶液再观察结果。

（2）难点：临时装片的制作，在探究实验过程中培养学生的实践能力和创新能力。

教学策略：教师示范制作临时装片，并强调制作时的注意点：材料要薄，不能有气泡等。接着让学生自主探究，再由不同小组的学生展示自己的实验结果并描述实验过程以及对实验结果的分析，进而让学生提出更多需要探究的问题。

5.课前准备

（1）教师要求学生复习渗透作用原理及其发生条件，并做好预习，理解实验原理，了解实验目的、要求和方法步骤；

（2）材料器具：洋葱，菠菜，质量浓度分别为0.1g/mL、0.3g/mL、0.5g/mL、0.7g/mL的蔗糖溶液，0.3g/mL的KNO，溶液、胭脂红染液（一种水溶性的大分子食用色素，呈红色），1mol/L的醋酸溶液，清水，显微镜，镊子，滴管，载玻片，盖玻片，吸水纸等。

6.教学过程

6.1导入

（1）复习渗透装置，教师引导学生思考：渗透作用发生的条件有哪些？

（2）教师联系学生的生活，出示一些常见现象：泡在盐水中的萝卜条会变软，泡在清水中的萝卜条会更加硬挺。并提出问题：为什么会出现这样的现象？植物细胞能否构成渗透装置？

学生学习教材中的相关内容，分析成熟的植物细胞结构，并与渗透装置作比较。

教师引导学生讨论：若将一个成熟的植物细胞放置到浓度高的溶液中，细胞液中的水分子将向细胞的哪一侧运动？如果细胞壁的伸缩性小于原生质层的伸缩性，将会出现什么有趣现象？

6.2开展观察植物细胞的质壁分离与质壁分离复原的实验

（1）实验原理：

把成熟的植物细胞放置在某些对细胞无毒害的物质溶液中。

①当细胞液的浓度<外界溶液的浓度时：

细胞液中的水分子透过原生质层，进入到外界溶液中，使原生质层和细胞壁都出现一定程度的收缩。由于原生质层比细胞壁的收缩性大，当细胞不断失水时，原生质层就会与细胞壁逐渐分离，即逐渐发生了质壁分离。

②当细胞液的浓度>外界溶液的浓度时：

外界溶液中的水分子通过原生质层进入到细胞液中，发生质壁分离的细胞的整个原生质层会慢慢地恢复成原来的状态，使植物细胞逐渐发生质壁分离复原。

（2）实验步骤：

①制作临时装片：用镊子撕取约0.5cm²紫色洋葱鳞片叶的外表皮，放人载玻片预先准备的水滴中，平展后盖上盖玻片。

②观察：先在低倍镜找到紫色洋葱表皮细胞，并移到视野中央，然后换下高倍镜观察。可以观察到紫色洋葱表皮细胞中紫色的大液泡，还可以看到原生质层与细胞壁紧贴在一起。

③滴加蔗糖溶液：从盖玻片的一侧滴入0.3g/mL的蔗糖溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，重复3-4次（引流法），使洋葱表皮细胞就浸润在蔗糖溶液中。

④观察质壁分离现象：在高倍镜下可以观察到，细胞中的液泡逐渐变小，颜色逐渐变深，原生质层开始在边角处与细胞壁分离，最后完全分离。

⑤观察质壁分离复原现象：在盖玻片的一侧滴加清水，在另一侧用吸水纸吸引，重复3-4次，使洋葱表皮细胞浸润在清水中，观察质壁分离复原现象。

（3）实验结果分析与结论。

实验表明：在细胞液的浓度低于外界溶液的浓度时，洋葱鳞片叶表皮细胞失水，发生质壁分离；在细胞液的浓度高于外界溶液的浓度时，洋葱鳞片叶表皮细胞吸水，已出现质壁分离的细胞发生质壁分离复原。

结论：细胞液和外界溶液通过原生质层发生了渗透作用；原生质层是一层半透膜。

6.3进一步探究

（1）用0.1g/mL、0.5g/mL、0.7g/mL的三种不同浓度的蔗糖溶液重复该实验。分小组进行探究，得到的结果见表1。

教师引导学生讨论：为什么前两种情况下可以发生质壁分离复原，而后两种情况下不能呢？

小组通过讨论，分析得知：由于后两者浓度过高，导致细胞失水过多而死亡，从而不能复原；而前两者由于浓度不足以使细胞失水过多，仍然存活。由此可知，只有活细胞才能通过渗透作用进行吸水和失水。为了清楚地观察质壁分离与复原现象，不能采用0.5g/mL或0.7g/mL的蔗糖溶液，而0.1g/mL的溶液分离现象不明显，且用时太长，所以最好选用0.3g/mL的蔗糖溶液来观察植物细胞质壁分离现象。

（2）用绿色植物的叶肉细胞代替紫色洋葱的外表皮细胞，重复该探究实验，进而寻找更多的实验材料。

实验步骤相同，只是用菠菜的叶肉细胞代替紫色洋葱的外表皮细胞，由于菠菜叶肉细胞质中含有叶绿体，呈绿色，在失水的状态下，可以清楚地看到质壁分离现象。分小组探究在0.1g/mL、0.3g/mL、0.5g/mL、0.7g/mL四种蔗糖溶液浓度下菠菜叶肉细胞质壁分离的状态。结果与前一个实验类似，同时也可以比较在同一浓度下，采用不同的材料时质壁分离的差异，说明了不同材料细胞液的浓度存在一定的差异。

（3）用无色的洋葱表皮细胞代替紫色洋葱的外表皮细胞，且在外界溶液中滴加胭脂红溶液对其染色，再观察实验的结果。

由于胭脂红能通过细胞壁，但不能通过原生质层，所以，在细胞壁和原生质层之间为红色，液泡内无色素，所以为无色。

（4）用0.3 g/mL的KN03溶液代替0.3g/mL的蔗糖溶液，观察结果。

在0.3g/mL蔗糖溶液中，植物细胞发生质壁分离，但如果不用清水处理不发生质壁分离复原。但在0.3g/mL的KNO₃溶液中，植物细胞质壁分离后会发生自动复原的现象。教师引导学生分析其中的原因。（原因是植物细胞能通过主动运输吸收钾离子、硝酸根离子进入细胞液，使细胞液浓度升高，细胞吸水，质壁分离后自动复原。）

（5）教师继续引导学生分析：若使用质量浓度为1mol/L的醋酸溶液代替蔗糖溶液，又会出现什么结果呢？（细胞不发生质壁分离及复原现象。因为醋酸能杀死细胞，使原生质层失去选择透过性）

7.教学反思

本节“观察植物细胞的质壁分离与复原”实验课是现行高中必修教材中学生必做的实验之一。本节课培养了学生对实验原理、现象和结果的分析能力，从提高学生的实验操作能力、观察分析能力人手，达到提高学生生物科学素养的目的。

本节课增加了学生自主探究的内容——不同浓度的试剂对同一种植物材料失水和吸水的影响、不同试剂对同一种植物材料失水和吸水的影响；用绿色植物的叶肉细胞、无色的洋葱表皮细胞代替紫色洋葱外表皮细胞、用质量浓度为0.3g/mL的KNO₃溶液和1mol/L的醋酸溶液代替蔗糖溶液探究对植物细胞质壁分离与复原的影响。通过引导学生课外查阅资料（其中包括改变试剂浓度和换用其他试剂）之后，分组讨论得出（选定不同浓度的蔗糖溶液，分别进行质壁分离和复原实验）可行的实验设计。