“探究植物细胞的吸水和失水”实验教学的创新、不足与展望

陈亮+郭岩丽

1 教学内容

本节实验课的教学策略为微课程-翻转课堂教学法，根据教学内容将本课课题确定为“植物细胞吸水和失水的再探究”（表1）。

2 微课的使用

高中生物概念教学具有较高的比重，很多概念比较抽象，学习难度较大，学生经常提出一些重复性的问题，教师答疑量负担很重。由于笔者对制作微课具有浓厚的兴趣，所以平时录制的微视频上传至个人微信公众号“探寻生命奥秘”中，供学生课后自学和观看，既降低了教师答疑量，又便于学生反复学习，一举两得。本节实验课涉及的概念难度小、易理解，适合自学。笔者课前制作了四段微视频，并且以Flash动画作为素材录制了旁白，便于学生更好地理解教学内容。

3 本课若干重要问题的思考

3.1 植物材料的选择

学生最初选择了人口腔上皮细胞、菠菜叶肉细胞以及紫色洋葱内、外表皮细胞四种实验材料，因为它们都曾出现在教材的其他实验中。教师则考虑到本实验所在的节标题为“物质跨膜运输的实例”，教学内容理应包含动物细胞的吸水和失水。但在实验中，学生普遍发现，口腔上皮细胞由于没有颜色，观察难度很大，且教材中已举例说明动物细胞可以吸水涨破和失水皱缩；菠菜叶肉细胞很不规则，制片时也往往只看到表皮细胞，探究价值微乎其微。经过与其他教师的讨论，弃用了这两种材料，以玫瑰花瓣和黑藻代替，玫瑰花瓣的红色为细胞液中的花青素，黑藻叶片很薄，制片容易，且可以叶绿体作为参照物观察，两种材料都具有较高的研究价值。

3.2 蔗糖浓度的选择

学生曾尝试配制物质量浓度高于0.7 g/mL浓度的蔗糖溶液，但高浓度的蔗糖溶解速度很慢，滴加时也很黏稠，操作不便。此外，虽有资料显示物质量浓度0.5 g/mL蔗糖溶液已足以使细胞失水死亡，但仍有学生提出想比较0.5 g/mL与0.7 g/mL的蔗糖溶液的失水速度，因此保留了0.7 g/mL的蔗糖溶液。还有学生认为应该配制物质量浓度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/mL的蔗糖溶液。但由于系列浓度比较接近，且总跨度较小，最后选取了0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/mL这五种浓度。

3.3 葡萄糖和硝酸钾溶液浓度的确定

学生最初选择了物质量浓度均为0.3 g/mL的葡萄糖和硝酸钾溶液，实验过程中发现细胞迅速失水，甚至滴加清水都难以复原，得出结论为0.3 g/mL的葡萄糖溶液和硝酸钾溶液物质的量浓度过大，失去参考价值。教师和学生参考有关资料，并讨论，将葡萄糖溶液浓度改进为0.16 g/mL和硝酸钾溶液浓度为0.090 g/ml，但又有学生考虑到硝酸钾在溶液中会发生完全电离使物质的量浓度加倍，最后确定硝酸钾溶液浓度为0.045 g/mL，这样两种溶液都具备了与0.3 g/mL蔗糖溶液的比较价值。

3.4 硝酸钾能使植物细胞质壁分离完全复原

在实验室的室温下，硝酸钾溶液滴在装片上10～15 min后会明显析出结晶，为避免这一现象对实验结果的干扰，教师制作多张临时装片，并向盖玻片周围滴加了石蜡油以隔绝空气，避免硝酸钾溶液溶解度发生变化，从观察到明显质壁分离开始计时，17 min时已经可以观察到质壁分离出现自动复原，45 min及以后的时间内细胞已不再明显吸水，虽并未恢复至质壁分离前状态，但证明细胞在硝酸钾溶液中可以发生质壁分离自动复原。

3.5 葡萄糖溶液中能否发生自动复原的探究

笔者按3.4中相同方法制作多张装片，连续观察3 h，未曾看到有自动复原的趋势；也曾做过放置10 h后再观察的实验，但细胞液中的紫色已经消失，说明长时间失水已经使细胞死亡，色素扩散至细胞外。无独有偶，天津七中的翟春利老师使用物质量浓度为0.2 g/mL的葡萄糖溶液也未能观察到质壁分离的自动复原。在查阅文献过程中，笔者发现北京四中的毕诗秀老师曾在“蔗糖能进入植物细胞的论证”一文中提到细胞在0.15 g/mL葡萄糖溶液中发生质壁分離后，继续观察5 min即可发生自动复原。笔者认为，影响质壁分离及复原的因素还应该有实验材料的生长地、存放时间、自身的生长状态，此外实验者对质壁分离及复原现象的判断也存在一定的主观性和偶然性，不同文献中同样浓度的蔗糖、硝酸钾等溶液质壁分离及复原的时间都不完全一致也证明了这一点见（表1～表4）。山东省教研员张可柱老师认为葡萄糖可能只被细胞吸收至原生质层而未进入细胞液，未能提高细胞液的渗透压。此外，也有教师提出可能洋葱表皮细胞对葡萄糖的吸收量较小，或吸收后立即被氧化分解而造成细胞未能吸水复原。关于这一问题笔者将继续思考和探究。

3.6 氯化钠溶液能使细胞质壁分离自动复原

赵则信的《影响质壁分离自动复原因素的实验探究》一文中提到“但在一定的浓度范围下，NaC1溶液都不能发生自动复原的现象”，笔者也在课堂教学中将这一结论作为已知条件为学生设计新的实验提供佐证。但现场授课后，参会的几位生物教师提出他们自己的实验结果显示氯化钠也可以使细胞发生质壁分离自动复原。带着这一问题，笔者配制了物质量浓度为0.05 g/mL的氯化钠溶液（物质的量浓度相当于0.3 g/mL蔗糖溶液）完成了该实验。方法如3.4中所述，结果显示，该浓度的蔗糖，氯化钠溶液使细胞质壁分离的速度更快，从观察到明显质壁分离开始计时，75 min左右时出现了较为明显的质壁分离自动复原；继续观察发现，与硝酸钾溶液类似，细胞也不能完全恢复至质壁分离前的状态，3 h后吸去石蜡油，向装片上滴加清水，发现细胞仍可吸水而发生质壁分离复原，这说明细胞尚未因长时间失水而死亡。考虑到3.5中所述的因素，笔者得出如下结论：氯化钠溶液可以作为蔗糖的替代溶液；在实验室条件下，氯化钠溶液可以使细胞出现质壁分离自动复原，但速度比硝酸钾溶液慢。

4 不足之处

通过与听课教师及专家的交流，笔者发现本课问题主要有：① 课堂容量大：虽然3个小组同时探究不同问题可以解决时间上的冲突，但课堂生成的很多重要问题未能充分展开讨论；同时也没能及时点评和纠正学生表述中的一些细节问题，这可能会让学生形成一些错误的印象。这些都与教学内容较多有关，教师难以面面兼顾。② 应注意回归教材：本课对教材内容做了大量拓展，引领了学生的思维，但本课的核心概念为渗透作用和质壁分离，课标对本课的要求为“说明物质进出细胞的方式”，因此本课最后应将学生发散的思维统一在教材的基本概念上，这也是对教材的一种尊重。

5 改进与展望

本课的授课地点为大庆市委党校，教学环境需现场搭建，教学硬件和技术手段（如结果的展示和数据传输）的使用严重受限。如果能在数码显微互动实验室中授课，实验结果的共享更加便利，提高教学过程的流畅性，达到事半功倍的效果。

笔者在准备本课的过程中，也在不断关注与本课有关的设计和创新。江西一位生物教师对植物细胞的吸水和失水也做过改进，其最大创新点在于将本实验进行了量化分析。曾老师用带有标尺的目镜替换原目镜，首先可以在低倍镜下统计视野中发生质壁分离的细胞个数及百分比，换成高倍镜后可以测量某一细胞原生质层的长和宽；其次在拍摄结果时，可以使用手机并通过APP传输数据、共享结果，手机的另一个优势在于可以随时从显微镜上取下，以拍摄学生的活动及操作过程，但对WIFI网络具有很强的依赖性。由于目镜标尺和手机拍照在公开课现场使用具有局限性，笔者将在日常实验室教学中加以应用。

参考文献：

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[7] 毕诗秀.蔗糖能进入植物细胞的论证[J].生物学通报，2008，43（1）：48-50.

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