以实验模型为载体的“渗透作用”教学设计

曹燕波 （无锡市辅仁高级中学 江苏无锡 214123）

1 教材分析、学情分析及设计思路

“物质跨膜运输的实例”是人教版必修1《分子与细胞》第4 章第1 节的内容。包括“细胞的吸水和失水”、探究实验“植物细胞的吸水和失水”和“物质跨膜运输的其他实例”3 个部分内容。其中“细胞的吸水和失水”是以水跨膜运输的实例将细胞的物质运输和细胞结构紧密联系在一起，介绍了渗透作用在生物界具有普遍性。在此基础上再引入“物质跨膜运输的其他实例”，为本章第3 节“物质跨膜运输方式”作铺垫，帮助学生建立细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜的观点。本节起承前启后的作用，通过物质结构决定功能的特点，勾勒出细胞这一生命系统最基本的层次。

“渗透作用”这个核心概念十分抽象，对于高一的学生而言要理解并能运用其规律并不容易。若直接展示教材上的渗透装置（图片），简单地进行概念传授，学生的理解会流于表面。因此笔者尝试以一系列的实验模型为载体，变抽象的概念为具体、形象，进而提高学生理解的透彻度。具体的设计思路如图1。

2 教学目标

1）知识目标：①理解渗透作用的原理及发生的条件；②说出细胞在什么情况下失水和吸水；③举例说明细胞膜、原生质层具有选择透过性，相当于半透膜；④理解水的跨膜运输是顺浓度梯度。

2）能力目标：①尝试从生活现象中提出问题，作出假设；②学习探究问题的一般方法和步骤；③独立完成植物细胞失水和吸水的实验设计和操作。

3）情感态度与价值观目标：①体验科学研究的过程，培养学生质疑、务实的科学态度；②在合作学习中学会与人交流，尊重他人，强化团队意识。

3 教学重、难点

1）重点：渗透作用的原理及植物细胞吸水、失水的分析与推理。

2）难点：分析植物细胞是一个渗透系统。

4 教学过程

4.1 导入新课 （情境导入）借助中央电视台科普栏目《是真的吗？ 》笔者展示渗透实验装置（图2），请学生作出判断。

教师指出：这是一个长颈漏斗，漏斗中是30%的蔗糖溶液，漏斗外烧杯中是清水（用PPT 显示相应注释），将这2 种溶液隔开的是一种特殊的膜，这种膜可以让水分子自由通过，而蔗糖分子却不能通过。实验开始时，漏斗内、外液面等高，静置一段时间后，液面逐渐上升直至停止。这是真的吗？ 是不是真的试了才知道。

教学意图：抛出实例，吸引学生注意。再思考其真实性，导入对渗透作用的学习。

4.2 渗透作用模型构建 教师通过视频播放自制简易渗透装置展示实验（图3）。液面果然上升了，这个实验的奥秘是什么？

教师提问： 如果这个膜是一种完全不透的膜，例如塑料袋，液面会上升吗？ （学生答：不会。）如果这个膜是一种全透性的膜，例如纱布，液面会上升吗？ （学生答：不会。）由此可见，实验中液面上升的奥秘之一是这个膜，这种膜水分子可以自由通过，而蔗糖分子却不能通过，这种膜称为半透膜。

教师引导学生关注膜两侧浓度，分析得出奥秘之二是浓度差。液面为什么会上升或下降？上升是因为什么原因？ （水分由烧杯中进入漏斗中。）水分只能由烧杯进入漏斗吗？ 这个过程中有没有水分由漏斗进入烧杯？ （有。）所以，液面上升应该是因为单位时间内从烧杯中扩散到漏斗中的水分子数量比较多。

总结：像这样当存在半透膜和浓度差时，更多的水分子从低浓度溶液流向高浓度的现象，称为渗透现象。

教学意图：通过一个简易渗透装置让学生“眼见为实”，激励他们带着好奇心探究新知，逐步接近和还原科学原理。

4.3 动物细胞的吸水和失水 教师指出：大家是否还记得，利用哺乳动物成熟的红细胞制备细胞膜的方法。如果浸泡在高浓度的溶液中，显微镜下观察到细胞形态怎样变化？ “这是真的吗？ ”以鸟类的蛋黄作为实验材料试一试。

教师向学生介绍了鸡卵细胞（蛋黄类似一个细胞）的腌渍实验。图4是将鸡卵细胞分别置于高浓度食盐水（9% NaCl）、清水中17 h 和41 h 后的变化图（注：14.22 g，15.49 g 是鸡卵的起始重量，17 h 后2 个鸡卵的重量分别是12.32 g 和17.75 g，41 h 后一个鸡卵破裂，所以没有称重）。

从实验结果可发现，鸡卵细胞在蒸馏水中吸水膨胀，最后破裂，在浓盐水中失水皱缩。动物细胞吸水膨胀和失水皱缩属于渗透现象吗？ 动物细胞发生渗透现象的条件是什么？ 半透膜的功能由动物细胞的什么结构承担？

总结：细胞膜充当了半透膜，允许水分子自由进出细胞，但是控制着某些分子不能自由进出细胞。

教学意图：联系学生熟悉的细胞实验实例，再通过类比肉眼可见的鸡卵细胞重复实验，加深学生对动物细胞渗透作用的认知。

4.4 植物细胞的吸水和失水 动物细胞有如此现象，植物细胞有此现象吗？

4.4.1 萝卜条实验 课前教师准备了3 只烧杯，1 号装萝卜汁（和萝卜等渗），2 号、3 号装等量的清水和浓盐水，每个烧杯中放入一根相同的萝卜条。现在2 号、3 号烧杯的标签被笔者蒙住了，请学生利用生活常识猜一猜哪个烧杯里装的是清水，哪个装的是浓盐水？学生通过观察、触摸等多维度的感官刺激，很快获得答案。萝卜条长度变化能否直接证明萝卜细胞发生失水和吸水？若不能，你认为应该怎样做？

学生经分组讨论后提出方案：取植物细胞，分别浸泡在清水、0.3 g/mL 蔗糖溶液中，并显微镜下观察细胞形态变化。笔者请学生先推测可能出现的现象，再用实施的实验方案进行验证。

教学意图：学生通过眼看、手摸等多感官刺激学习，增加对植物细胞吸水、失水过程和结果的体验，加深对渗透作用发生条件的理解。

4.4.2 探究实验： 植物细胞失水和吸水 通过前面实验的铺垫，学生对“观察现象—提出问题—作出假设—实验设计—实验操作—分析现象—得出结论”有了初步了解，较易作出“植物细胞是能发生吸水和失水的”的假设。如何设计实验证明？学生通过思考讨论得出：使临时装片上的细胞“失水”或“吸水”，采用的方法是：分别在盖玻片的一侧滴加______ 或______（根据桌上的试剂瓶名称填写）。

实验操作。为帮助学生熟练操作显微镜，顺利完成临时装片的制作，先播放2 段微视频： 洋葱“外”表皮细胞临时装片制作、使用低倍镜观察细胞，并提供实验流程：

①制作临时装片：洋葱鳞片叶紫色外表皮细胞；②用低倍镜第1 次观察：有紫色溶液充满整个细胞；③滴加蔗糖溶液；④用低倍镜第2 次观察：紫色部分体积变____，颜色变_____；⑤滴加清水；⑥用低倍镜第3 次观察： 紫色部分体积变____，颜色变_____。

教师巡视各组完成情况，观察实验现象并反馈。洋葱外表皮细胞浸泡在0.3 g/mL 蔗糖溶液，发生失水了吗？ 理由是什么？ 在播放微视频“质壁分离与复原”后提问：能省略第1 次观察吗？ 为什么？请学生回忆植物细胞结构，内部紫色的是细胞液，外界溶液是蔗糖溶液，水分进出应该要通过的是细胞膜、细胞质和液泡膜部分，也就是原生质层。请回答下列思考题：

思考1：若类比渗透装置，成熟植物细胞中承担半透膜功能的结构是________，所谓质壁分离中的“壁”指的是细胞壁，“质”指的则是_______。

思考2：由于细胞壁主要成分是纤维素，具有全透性，所以细胞壁和细胞膜之间应为______（细胞质、外界溶液）。

思考3： 成熟的植物细胞失水会发生质壁分离，原因之一是细胞外溶液浓度_____（填“大于”或“小于”）细胞液浓度；原因之二是_______ 的伸缩性明显大于_______。

总结：植物细胞也能发生吸水和失水。当外界溶液浓度高于细胞液时，液泡失水后明显缩小，细胞膜随液泡膜收缩，但细胞壁没有明显缩小，这种现象称为质壁分离。

教学意图：学生在“问题”的驱动下，循序渐进地完成整个探究过程，提高了对渗透作用原理的认知水平，也培养了发现问题、解决问题的能力。

4.4.3 渗透作用与生活中的联系 生活中有许多关于其他物质进出细胞的实例，例如腌萝卜干、制作果脯、腌咸蛋等。鸭蛋能被腌咸，说明除了水以外还有哪些物质也进入了细胞？ 细胞本身是一个开放的系统，时刻与环境进行物质交换。还有钠、钾、氯等无机盐离子。腌制生的鹌鹑蛋和煮熟的鹌鹑蛋，结果发现煮熟的鹌鹑蛋更易变咸，这是真的吗？ 你也可以试试。

教学意图：通过几个小问题、笔者自己做的小实验，引起学生的兴趣，从而思考除了水还有什么物质可以进出细胞？ 为后面知识的学习做好铺垫。

5 课堂小结

以实验模型为载体贯穿整节课，主要采用情境式、探究式和师生互动的教学模式，简洁、明快地解决了本节课的重、难点：渗透作用的原理；成熟植物细胞的吸水和失水；成熟植物细胞是一个渗透系统等。在多种感官的共同参与下，学生尝试了探究问题的一般方法和步骤，完成植物细胞失水和吸水的实验设计和操作，了解到其他物质也可进出细胞，细胞膜是一种选择透过性膜等，为今后的学习埋下了伏笔。

6 教学反思

本节课出现了多个实验模型：

①简易渗透装置。为了便于观察，笔者向倒置塑料试管内加入了红糖溶液，半透膜选择的是鱼鳔。开始时现象还是很明显的，红色液面也很快上升了。但是几小时过后笔者发现烧杯内的清水会有些许浑浊。很明显，红糖从鱼鳔中漏出了。笔者查阅了一些资料，资料显示鱼鳔、鸡蛋壳膜等严格来讲并不能完全阻隔蔗糖分子，它们并不是本实验最好的半透膜。但是笔者认为，渗透装置的理想模型不易得，若取得简易的渗透装置能说明当前问题，就是一个好模型（当然这个半透膜的透性要和学生说明）。

②鸡卵细胞模型。鸡蛋取材方便，整个鸡蛋虽不是一个细胞，但是蛋黄可看作是一个鸡卵细胞，所以将它放入清水或高浓度的溶液中发生的变化相比于哺乳动物红细胞，由于肉眼可见，学生观察更方便。

③萝卜条实验模型。多数教师会将相同的萝卜条放在清水、浓盐水中，然后比较萝卜条的长短、大小等。学生只是被告知结果。笔者改变思路，将萝卜条分别放在清水、萝卜汁（等渗溶液）、浓盐水中，遮住装清水和浓盐水烧杯的标签，让学生感知萝卜条的变化，从而推测2 个烧杯对应的标签，这样学生就化被动学习为主动学习，更易接受新知识。