“细胞大小与物质运输关系”的实验探索

谢 婕 陈慧妍 陈佳琪

(广东第二师范学院生物与食品工程学院 广州 510303)

在前人研究的基础上，笔者对“细胞大小与物质运输的关系”模拟实验进行一系列操作，得出该实验的最佳材料、试剂、处理时间、方法等，旨在提高实验效果及课堂效率，进一步培养学生的逻辑思维以及科学情趣。本文报告如下：

1 材料与方法

1.1 实验材料与用具 材料：煮熟的马铃薯、煮熟的白萝卜、豆腐(硬的)、白凉粉；染色剂：10%红墨水、10%黑墨水和1.5%医用碘酊；用具：烧杯、电炉、美工刀、塑料汤勺、滤纸、吸水纸和一次性薄膜手套(防染色)。

1.2 实验方法 ①用美工刀将不同材料切成正方体，边长分别为3 cm、2 cm各1块，1 cm切3～5块。②将材料放在烧杯内，加入不同染色剂溶液，将材料浸没。③设置温度因素处理，红墨水和黑墨水分别进行室温与60℃保温处理，碘酊因碘的挥发性不作温度处理(室温下即可)。染色过程中用塑料勺不时翻动正方体材料。③带上一次性手套，在5 min，10 min，15 min时，用塑料勺将边长为1 cm的正方体材料从溶液中取出。当观察到边长为1 cm的正方体完全染色，取出其他边长的正方体块。④用纸巾把它们吸干，用刀切成三等份。取中间一份进行观察、测量和计算其渗透比值(渗透比值=扩散的体积/整个材料的体积)。⑤每个材料的不同处理进行三次重复，取平均值，并做方差和标准差分析，确定数值的可靠性。

2 结果与分析

2.1 同材料对实验效果的影响 采用马铃薯、豆腐、白萝卜和白凉粉代替含酚酞的琼脂块。使用红墨水染色，结果如图1所示；对材料的扩散体积情况计算分析，得出不同材料的渗透比值(表1)。结果表明，在15 min、60℃的红墨水中，每种材料的渗透比值随着材料边长的增大而减小；其中，材料渗透比值最高的是白凉粉和白萝卜，最低的是马铃薯，而豆腐的渗透效果在白萝卜和马铃薯两者中间。

A马铃薯 B豆腐 C白萝卜 D白凉粉

材料种类材料的边长/cm扩散的深度/cm渗透比值马铃薯(煮熟)豆腐白萝卜白凉粉30.150.27120.150.38610.150.65730.20.34920.20.48810.20.78530.50.704 20.50.87510.5130.50.704 20.50.87510.51

2.2 染色剂对实验效果的影响 采用10%红墨水、10%黑墨水和1.5%碘酊三种染色剂，通过它们对白凉粉染色扩散体积情况计算分析，得出不同染色剂的渗透比值(表2)。结果表明，红墨水、黑墨水和碘酊均可以使材料染上颜色，如图2所示，且相同时间内每种染色剂的白凉粉渗透比值随边长的增大而减小。其中，红墨水渗透比值最高，黑墨水次之，室温下医用碘酊最低。

A.红墨水 B.黑墨水 C.医用碘酊(a为染色碘酊的外表面)

表2 15 min不同试剂处理白凉粉的渗透比值(其中红墨水和黑墨水为60℃处理)

2.3 染色时间对实验效果的影响 将边长为1 cm的白凉粉，分别浸泡红墨水中5 min、10 min、15 min，观察不同时间染色扩散体积情况并计算分析，得出不同染色时间白凉粉的渗透比值(表3)。结果表明，在一定时间范围内，材料的浸泡时间越长，渗透比值越高，最高为1(全渗透)；且60℃、15 min的情况下，红墨水中白凉粉的渗透比值接近1。

表3 在60℃红墨水处理下1 cm3正方体白凉粉不同时间的渗透比值

2.4 温度对实验效果的影响 对温度的比较，通过比较室温(约20℃)对照和60℃处理两种温度对比，观察边长1 cm的白凉粉染液扩散体积情况，发现边长1 cm的白凉粉在60℃红墨水中，达到全渗透(渗透比值为1)时间为15 min，在20℃达到全渗透时间为30 min。结果表明，适当加热能加快染色剂的渗透效率。

3 讨论

3.1 材料的生活化 通过调查了解，教材中“含酚酞的琼脂块”没有成品可以购买，必须由教师自己制作，这样会花费比较多的时间。生活中常见的白凉粉、豆腐(硬的)、白萝卜、马铃薯，质地均匀，容易渗透，这样的改进有利于实验的普及和推广。同时，使用生活化的材料，引导学生用创新的思维看待实验，学会发现科学合理又简单易行的实验方法，不仅能培养学生对学习生物学的兴趣，还能增强学生的创新意识。

3.2 实验的安全性 由于NaOH是强碱，有强烈的腐蚀性，实验有一定的危险性。为此，可在生活中寻找容易取得、染色性强以及安全性高的溶液来代替NaOH溶液。从实验的结果看，红墨水在加热的情况下的渗透效果最好，且不含腐蚀性，比较安全；黑墨水在加热的情况下的渗透速率和扩散现象也不错；医用碘酊的外部染色较快，渗透效果较差，测量的数据误差大。

3.3 数据的代表性 实验的数据具有一定的代表性也是实验科学性的重要表现之一。该教学实验为的是让学生从模拟材料中联想迁移回细胞，以此来明白细胞的体积越小，其物质运输效率就越高，故在实验中如果能使体积最小的物质的实验效果达到最佳，即渗透比值达到最大，能有助于学生理解体积小的细胞其运输效率高。

3.4 实验的高效性 在本实验的教学课堂中，教师通过增加边长为1 cm的正方体材料的数量，在不同的时间取出并切开，当边长为1 cm的正方体完全染色，取出其余边长的正方体块并测量。这一步骤的增加，使得该实验具有动态性和趣味性，让学生能够具体观察到试剂渗入材料的动态过程；也能教导学生使用控制变量的方法设计实验。考虑到实验课堂的效果、学生创新能力的培养和课堂的趣味性，可以参考本试验中使用的几种实验材料来增设课堂实验中材料的对比实验，以及通过改变时间来测得边长为1 cm的正方体全渗透的最佳效果。

4 结论

从实验材料的选择方面，白凉粉、豆腐、白萝卜、马铃薯和均可以作为该实验的替代材料。其中，白凉粉与白萝卜的扩散速率相同且最快，并且白凉粉的内部质地均匀，渗透边界十分清晰，容易进行实验结果的测量和计算。从染色剂的选择方面，碘酊的渗透性较小，数据难以测量并且不具代表性；黑墨水虽然渗透速度也较快，但红墨水的速度和效果更明显，所以红墨水为首选染色剂。因此，选用染色效果较好的红墨水和白凉粉组合，通过染色时间的选择来保证边长为1 cm的材料其渗透比值为1，并通过加热使得实验进展更为快速，从实验的结果来看，在60℃、染色15 min的情况下，边长为1 cm的白凉粉能达到最佳数据即渗透比值为1(全渗透)。

(广东第二师范学院2014年度校级质量工程项目；No.jxtd01；广东第二师范学院2012年度教学研究与改革项目;No.yb2210)