“生物体维持pH稳定的机制”实验在“稳态”大概念教学中的作用*

郑自展 李常欢 霍 静**

（1 湖北省水果湖高级中学 湖北武汉 430071 2 西南大学生命科学学院 重庆北碚 400715）

普通高中生物学的课程改革将“内容聚焦大概念”作为基本理念，为进一步突出教学重点，实现课程内容“少而精”提供保障［1］。例如，“稳态与调节”模块，要落实“生命个体的结构与功能相适应，各结构协调统一共同完成复杂的生命活动，并通过一定的调节机制保持稳态”的大概念，认识“体液”是获得此大概念的基础。体液是人和动物体内的液体，属于高等动物的专属概念，由自由水和溶解在其中的离子及化合物组成。细胞膜将体液分隔成细胞内液和细胞外液。细胞外液成为机体在“神经-体液-免疫”调控下，各器官、系统协调活动，维持“稳态”的媒介，也称为内环境。

课程标准在“教学提示”中指出，应开设“比较清水、缓冲液、体液对pH 值变化的调节作用”等相关实验，通过比较不同溶液或生物材料，在加入一定量酸或碱溶液后，记录并分析溶液pH 值的变化情况，帮助学生理解内环境的pH 值能保持稳定，为学生形成“稳态”大概念奠定基础。但“内环境”“细胞外液”“体液”等名词，又是学生易混淆的生物学术语。本研究以“生物体维持pH 稳定的机制”实验为载体，探讨建立“稳态”大概念的要点。

1 辨析实验材料，澄清迷思概念

中学开展该实验的选材较为多样。教材建议选用的生物材料为肝匀浆、马铃薯匀浆、稀释后的鸡蛋清及黄瓜匀浆等，也有教师在教材的基础上，增选了白菜汁、萝卜汁、梨汁和橘汁［2］等材料。对这些不同生物液体的来源与性质进行辨析（表1）。

表1 不同生物液体材料的来源辨析

细胞内液是高等动物机体内最大的含水区域，富含大量的K+、HPO42-、Ca2+等，主要包括核液、细胞质基质、细胞器基质等液体，由细胞膜包被，维持细胞的形态；细胞外液是血浆、组织液和淋巴动态的有机联系，构成了机体内细胞直接生活的环境，又称内环境，含有大量的Na+、Cl-、HCO3-和蛋白质等营养物质；脑脊液是机体内与外界不相通的液体，也属于细胞外液。细胞内液和细胞外液二者在离子组成上有较大的差异。动物血液由血细胞和血浆组成，既包含了细胞（细胞内液），又包含了细胞外液的成分。含有细胞内液的细胞，生活在细胞外液中，并通过细胞外液与外界环境进行物质交换，同时细胞内液与细胞外液共同保持细胞内外渗透压平衡，对维持细胞正常形态、结构和功能起到了重要的作用。

理解“稳态”大概念时，使用动物的肝匀浆，无法区分细胞内和细胞外的液体，在实验选材上混淆了“体液”“细胞外液”“细胞内液”的概念；同时，植物细胞的质膜具有选择透过性，能维持细胞相对稳定的内部环境，植物体的内部环境可理解为细胞内的液体环境，一般不区分细胞内液和外液，选择植物材料与实验对“体液”稳定性的研究并不匹配。教学的任务是帮助学生澄清迷思概念，若实验材料选择不当，不仅不能澄清迷思概念［3］，反而导致概念相互混淆。

本研究建议采用自制的新鲜兔血浆，即用市售含肝素的一次性真空采血管采集家兔全血，离心（3 000 r／min，10 min），静置，待分离上层黄色透明液体可立即使用，或低温无菌冻存，待用时37℃水浴缓慢解冻后使用；0.01 mol／L PBS 溶液（即磷酸盐缓冲液，主要成分为磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、氯化钠及氯化钾等），目前已有市售的PBS（pH=7.0）干粉，可按照说明书，一次配制1 L的用量，经高温湿热灭菌后低温保存；和蒸馏水作为实验材料。兔新鲜血浆是哺乳动物典型的内环境，观察它在酸碱环境中pH 值的变化情况，学生能对应“血浆”代表的“内环境”。如果实验不能收集到新鲜的兔血浆，可购买小牛血清替代。血清中虽不含有纤维蛋白原，却保留了血浆中绝大多数的缓冲对，也能较好地模拟机体的内环境生理生化特征，减轻实验准备的工作量，同样能得到近似的实验结果。

2 利用预实验，强化科学探究

科学探究是一种解决问题的思维方式。根据实验“比较清水、缓冲液、体液对pH 值变化的调节作用”，提出具体的问题“清水、缓冲液、体液对酸（碱）性物质的调节能力，哪一个更强？ ”据此，实验设计的关键就转为“加入什么样的酸或碱进行实验”及“加入的浓度和用量是多少”的问题。内环境的“稳态”并非一成不变，学生通过与缓冲液进行比较，理解“缓冲对”在维持机体内环境的相对稳定的作用。缓冲液比体液的缓冲能力弱，需要通过预实验对加入的酸（碱）用量作出“预判”，才能保证实验成功。

通过预实验，找到了在一定的反应体系中，每次加入具体的酸（或碱）的量（例如10 mL 的体系，每次加入10 μL 的1.2 mol／L 的HCl 或1.2 mol／L的NaOH），为进一步实施实验，观察“缓冲”的动态变化过程做好准备。

预实验还可对测量工具进行优化。精密pH值试纸测量范围有限，试纸显色时易出现观察误差。建议选用pH 计测量各溶液中pH 值的变化，不仅操作便捷，能连续测定一系列数据，而且还能让学生体验科技进步给实验研究带来的便利。

在方案实施及结果讨论中，学生能逐渐掌握基本的科学研究方法，提升创新能力，并能更好地认识到在解决问题的过程中，通过“预实验”对问题解决的具体操作进行预判，能提高解决问题的效率。

3 分析实验结果，培养科学思维

实验结果的分析，是科学研究的重要组成部分。通过逐滴加入酸或碱，观察并记录实验结果，将定性的实验转变为定量的实验，能体现生物学的学科性质。科学研究中记录数据，并不能直接地体现规律，但将数据转化为图表，就能更为直观地反映数据的特征，找到数据的变化趋势，帮助研究者客观地得出结论。

图1 各待测液pH 值变化情况示意图

由图1可知，随着HCl 溶液加入量不断增加，蒸馏水的pH 值迅速下降，蒸馏水不具备缓冲能力。此时，PBS 溶液和兔新鲜血浆的pH 值缓慢降低，说明兔新鲜血浆和PBS 溶液对外来酸性物质的缓冲能力比蒸馏水强。在第9 次加入HCl 溶液（共加入90 μL）后，PBS 的缓冲能力迅速降低，说明此时10 mL 的PBS 体系有效维持稳定状态的能力丧失，而兔新鲜血浆的pH 值一直保持缓慢降低的趋势，在继续加入HCl 后，也没有完全丧失缓冲的能力。

随着NaOH 加入量的不断增加，蒸馏水、PBS溶液、兔新鲜血浆的pH 值呈现不同程度的上升趋势。在第1 次加入NaOH 时，10 mL 体系的蒸馏水缓冲能力已“崩溃”；在第2 次加入NaOH 后，10 mL PBS 体系的pH 值急剧上升，说明缓冲能力也即将“崩溃”；而兔新鲜血浆在多次加入NaOH后，pH 值一直保持缓慢上升的趋势，说明其一直保持着缓冲的能力，且兔新鲜血浆在抵抗酸碱的能力表现上较为一致，但PBS 溶液和蒸馏水抗酸的能力强于抗碱的能力。通过将实验数据转换为图表（图1），学生能真实地观察到各待测液pH 值的线性变化，认识到数据处理的重要意义。

科学思维是生物学核心素养的重要组成部分，基于事实和证据，运用分析综合、抽象概括、推理论证等方法，进行理性分析，探讨、阐释生命现象和规律。根据酸、碱的加入量和pH 值测定值，基于实验收集的事实（数据），将图表转换为坐标曲线图，直观呈现pH 值变化趋势，能清晰比较不同溶液的缓冲能力；利用不同溶液的体系“崩溃点”，根据超过一定范围发生稳态“崩溃”的现象，探讨缓冲体系在维持稳态上的有限性，更好地理解内环境稳态的相对性，学会辩证地看待事物的发展。综合分析得到结论，3 种不同的实验溶液，溶液体系所含成分越复杂，维持pH 值稳定的能力越强。在抵抗外来酸、碱的能力上，新鲜兔浆>PBS 溶液>蒸馏水，即在有外来干扰时，新鲜兔血浆能较好地维持体系相对的稳定状态。

结合实验探究的结论，帮助学生更好地理解机体调节酸碱平衡最迅速的途径是血液缓冲系统。人体在新陈代谢过程中，会产生乳酸、碳酸等酸性物质，但正常人的动脉血pH 值仍为7.35～7.45，不会因酸性或碱性的物质进入血液而引起pH 值的较大波动。血浆中足够浓度及适当比例的共轭酸碱对能清除酸（碱）物质，最终通过肺和肾的调节作用排出体外，维持机体pH 值的稳态。该实验的开展，为进一步理解“生物个体通过一定的调节机制保持稳态”的大概念奠定了基础。