“渗透作用实验”的专题复习

徐业义

人教版高中生物《必修1·分子与细胞》教材中关于渗透作用的实验有两个，一个是“问题探讨”栏目中的“渗透现象”实验，另一个是正文中“探究植物细胞的吸水和失水”实验。两个实验的基本原理相同，都是利用水分子从渗透压低的一侧向渗透压高的一侧运动，引起膜两侧溶液体积的改变。通过实践，发现以下措施在渗透作用实验的专题复习课上可以培养学生的高阶思维、提出问题和解决问题等能力，具有较好的教学效果。

1 通过计算加深对渗透压的理解

渗透作用实验涉及到的一个重要名词是渗透压。初学时，学生往往简单地将渗透压与浓度挂钩，并不清楚是质量浓度还是微粒浓度，形成“水分子通过半透膜由浓度低的一侧向浓度高的一侧运动”这一并不准确的判断水分子运动方向的方法。

针对以上情况，教师在复习课上可准备如下实验器材：紫色洋葱、显微镜、质量浓度为30%的蔗糖溶液和30%NaCl溶液等，并提问：两种溶液中哪种使洋葱表皮细胞发生质壁分离的速度更快？学生部分认为一样快，部分认为30%NaCl快，还有少数认为30%蔗糖溶液快。通过实验，学生发现滴加30%NaCl溶液的洋葱表皮细胞只要几秒钟便迅速发生非常明显的质壁分离现象，而滴加30%蔗糖溶液的洋葱表皮细胞却要反复滴、吸几次，在约1-2分钟后才能看到质壁分离。据此，教师继续提问：两种溶液质量浓度相同，为何质壁分离所用时间相差如此之大？学生通过激烈讨论和阅读课本，能够答出：渗透压是指溶质中微粒对水的吸引力。渗透压大小取决于单位体积溶液中微粒的数目，溶质微粒越多，即溶质浓度越高，溶液渗透压越高。教师进一步引导学生通过计算比较两种溶液的微粒浓度：30%蔗糖溶液的微粒浓度约为5.28×10 23 个/升，30%NaCl溶液的微粒浓度约为6.18×10 24 个/升，后者是前者的11.7倍。教师还可简单介绍范托夫公式（π=C B RT），让学生更进一步明确在一定环境条件下，溶液的渗透压只与溶液微粒浓度有关。

渗透作用实验的专题复习中，教师通过计算强化了学生对于渗透压的大小与微粒浓度有关而非与质量浓度相关的认知，加深了学生对渗透压的理解，为在不同情境中利用渗透压大小判断膜两侧液体体积和浓度变化提供了坚实的基础。

2 通过实验发现问题并提出解决方案

学生通过实验发现其中的不足之处，进而提出解决方案，能够培养学生在真实情境中发现问题、提出问题和解决问题的能力，训练学生的科学思维和科学探究能力。

在学生对渗透作用的原理有了深刻认识后，教师提供如图1所示两组装置，并作简要介绍：A、B两烧杯中放置等量的已知浓度的蔗糖溶液，烧杯A中加入叶圆片后，根据蔗糖溶液浓度与叶圆片细胞液浓度间的关系，叶圆片细胞可能吸水、失水或既不失水也不吸水，从而引起A烧杯中蔗糖溶液的浓度发生改变，其密度也相应改变，再将A烧杯中液体滴入B烧杯蔗糖溶液内部，看滴入蔗糖溶液的沉浮情况可以判断叶圆片细胞液浓度与已知蔗糖溶液浓度间的关系。通过配置系列浓度梯度的蔗糖溶液进行实验可测出植物细胞液的浓度。结合图示和介绍，学生初步掌握测量植物细胞液浓度的原理与方法，并进行实验操作。

学生操作后发现：滴入B烧杯溶液中的液体不易观察是上浮还是下沉。随后学生分析：A、B中的液体都是无色的，不容易观察到滴入B中液滴的沉浮情况，如果在A烧杯中加入少量色素，就容易观察到滴入液滴的沉浮。但A烧杯中加入色素后其渗透压会增加，增加的渗透压如果较小可以忽略不计，如果较大则需要在B烧杯中加入一定量的蔗糖以平衡。教师提问：怎样选择合适的方法来观察呢？学生讨论形成方案：可配制一定浓度的亚甲基蓝溶液，滴入清水中觀察液滴的浮沉情况，然后不断稀释和滴入，直到亚甲基蓝颜色很淡为止。学生在教师的引导下继续进行探究：首先配制1‰的亚甲基蓝溶液，滴入清水中明显下沉，稀释十倍后下沉缓慢，再稀释10倍后几乎处于悬浮状态，此时亚甲基蓝溶液蓝色仍可辨析。最后学生得出结论：探究植物细胞液浓度的最低蔗糖浓度一般设置在0.05 g/mL，0.0001 g/mL的亚甲基蓝溶液浓度只占最低蔗糖浓度的1/500，可以忽略不计。

根据上述探究结果在A烧杯的蔗糖溶液中加入少量亚甲基蓝使其浓度为0.0001 g/mL，发现无论蔗糖溶液的浓度设置是较高还是较低，A烧杯中的溶液滴入B烧杯后都没有明显的上浮或下沉，而是处于悬浮状态，教师提问：这是什么原因呢？学生分析：滴入液滴没有明显的上浮或下沉说明两烧杯中溶液的微粒浓度差异较小，叶圆片引起A烧杯中溶液浓度改变较小，原因可能是A烧杯中蔗糖溶液量太多或叶圆片数量太少，或者叶圆片与蔗糖溶液之间水分交换不充分，因此在增加叶圆片数量的同时减少蔗糖溶液的用量、延长叶圆片与蔗糖溶液之间的作用时间，应可以使A烧杯中的蔗糖溶液微粒浓度发生明显改变。

学生改进实验方案后继续进行实验操作，发现较低浓度蔗糖组的液滴进入B烧杯中后下沉较快，而较高浓度的蔗糖组则相反。但在操作较低浓度蔗糖组时又发现了新的问题：滴入B烧杯后液滴下沉，难以区分是A烧杯中蔗糖溶液浓度升高还是挤压滴管时用力过猛造成的。据此，教师提问：应怎样改进使其便于区分？在教师的引导下，学生继续分析：滴管尖端垂直方向插入B烧杯液体中，导致密度较大的液滴进入后不论是因为密度大还是因为滴入初速度大都会下沉，如果改变滴管尖端的方向使其呈水平状态即可解决。一次性滴管是塑料的，只要用酒精灯加热将尖端以下部分扭转90度即可。学生改进后再操作，顺利解决问题。

本实验设计是大学教材《植物生理学》中的“小液流法测量植物细胞液的浓度”，教师在该案例中不必介绍其名称，只要学生掌握实验的原理与方法，就可以对实验过程中出现的问题进行分析并尝试提出解决方案，通过这种不断发现问题和解决问题的课堂实验模式，使科学探究能力和科学思维的培养真正落地。

3 通过给定新装置分析实验的可行性

新的装置意味着新的情境。学生对于渗透作用的本质是否真正理解并能迁移运用，利用新装置可进行一定程度的检验。

教师先提供如图2所示的实验装置，并告知学生分析天平的灵敏度非常高，测量质量可以精确到0.1 mg，叶片质量发生细微的变化都可以从分析天平的表盘上读出，并提出“能否利用该装置测定叶片细胞液的浓度”的问题。学生通过讨论后一致认为可以测定。理由是当蔗糖溶液浓度大于叶片细胞液浓度时，叶片细胞失水，天平读数变小，反之则天平读数变大，如果两者浓度相等则天平读数不变。接着，教师鼓励学生进行实践。实验后，学生发现烧杯中不论是高浓度的蔗糖溶液还是清水，天平的读数都会变大。

学生随即展开讨论，最终发现：蔗糖溶液浓度较低时，叶片细胞吸水，天平读数变大，这与实验结果一致；当蔗糖溶液浓度较高时，叶片细胞失水并发生质壁分离，但分离后的细胞壁与原生质层之间的间隙又被高浓度的蔗糖溶液所充满，蔗糖溶液的密度大于细胞失掉的水的密度，因此细胞的总质量仍然是增加的，所以天平读数也应该是变大的。因此该装置不能用来测定植物细胞液的浓度。

接着，教师提供如图3所示的装置，提问：能否利用该装置测定植物细胞液的浓度？如果能请说出测定的原理。学生结合渗透作用原理和所学过的物理学知识分析得出：如果蔗糖溶液浓度高于叶圆片细胞液浓度则细胞失水，引起蔗糖溶液浓度（密度）变小，铁块所受浮力变小，天平读数变大，反之天平读数变小，两者浓度相等时，天平读数不变。因此可以利用该装置测定细胞液的浓度，并且实验操作后发现结果与分析完全一致。

图2所示装置对应问题的迷惑性强，学生分析易错，但预测与结果间的冲突可以激发学生强烈的求知欲和学习兴趣。图3所示装置不仅可以考查学生对于渗透作用知识的理解，而且还考查了一定的物理学知识，考察了学生综合运用不同学科知识解决特定问题的能力。

实验教学应通过不断制造新情境让学生产生认知冲突，激发学生产生强烈的求知欲而实现核心素养的不断提升。在“渗透作用实验”的专题复习中，教师通过计算加深了学生对渗透压的理解，通过引导学生对原有实验提出优化和利用给定新装置分析实验的可行性等手段，在实验复习中夯实学生基础，培养学生的科学探究能力和科学思维。

参考文献：

中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020：53.