安徽 陈永辉

研究实验过程 改进实验方法

安徽 陈永辉

1. 关于“原壁分离实验”实验材料的选择

在人教版教材第四章第一节关于“植物细胞的吸水与失水”的实验中所选择的实验材料是成熟植物细胞 ——紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞。用洋葱鳞片叶外表皮细胞作为该实验材料没有任何问题，而且实验效果非常好。但是在教学实践中学生经常会提出这样的问题：未成熟的植物细胞，细菌，真菌和酵母菌细胞都有细胞壁，能发生质壁分离吗?

要想回答以上问题，我们首先要知道质壁分离的概念，广义上的质壁分离指的是细胞壁和原生质体分离。所以要发生质壁分离细胞要具备以下条件：①要有细胞壁，②原生质体的伸缩性要大于细胞壁的伸缩性。

下面让我们来分析各种细胞的结构特点。

1.1 成熟植物细胞 成熟植物细胞具有细胞壁，它的细胞壁包括初生细胞壁和坚硬的次生细胞壁，其主要成分包括：纤维素、半纤维素、果胶、木质素、蛋白质、水和表层物质等，其中纤维素分子为细胞壁提供了抗张强度，木质素能使细胞壁木质化，进而强化细胞壁，增强细胞壁的强度和抗降解力。综上所述，成熟植物细胞在初生细胞壁的内侧生成了坚硬的次生细胞壁而且含有大量纤维素和木质素，所以其细胞壁伸缩性很小。同时成熟植物细胞有中央大液泡，能发生渗透失水，失水量较大，当外界溶液浓度大于细胞内液浓度时，成熟植物细胞易发生质壁分离。所以成熟植物细胞是质壁分离实验最佳实验材料。

1.2 未成熟植物细胞 未成熟的植物细胞最初生成的细胞壁是很薄的，叫初生细胞壁。它是由纤维素、半纤维素和少量的果胶质构成的。未成熟的植物细胞由于没有坚硬的次生细胞壁且初生细胞壁纤维素含量较少，没有木质素，导致初生细胞壁有弹性，质地较柔软，有较大的可塑性，能随着细胞的长大而延伸。其伸缩性大于成熟植物细胞细胞壁。同时未成熟植物细胞没有中央大液泡，所以未成熟植物细胞难以依靠渗透作用吸水、失水。只能依靠其内部的蛋白质、淀粉和纤维素等亲水性物质通过吸胀作用吸水、失水。失水量较小，较难发生质壁分离。曾有人模拟“质壁分离实验”：首先配置不同质量浓度梯度的蔗糖溶液：0.3 g/mL、0.35 g/mL、0.4 g/mL、0.45 g/mL……0.8 g/mL。然后将洋葱的根尖分生区处做成徒手切片，再按照“质壁分离”实验步骤逐一仔细观察并记录，结果发现蔗糖溶液浓度在0.45 g/mL以上时，才可导致洋葱根尖分生区细胞发生质壁分离。综上所述可以看出，未成熟植物细胞也可发生质壁分离现象。但是，同样条件下效果不如成熟植物细胞，不适合做质壁分离的实验材料。

1.3 细菌 细菌也有细胞壁，是位于细胞膜外的一层具有弹性的结构，主要成分是肽聚糖，由乙酰氨基葡萄糖、乙酰胞壁酸与四五个氨基酸短肽聚合而成。细菌细胞壁中没有纤维素和木质素，其机械强度依赖于肽聚糖，所以细菌的细胞壁较柔软，伸缩性较大。而且细菌也没有中央大液泡，不能通过渗透作用吸水、失水。所以细菌质壁分离现象也不如成熟植物细胞明显，不适合作为质壁分离实验的实验材料。

1.4 真菌 真菌细胞壁厚度约为100～250微米，主要成分有几丁质、纤维素、葡聚糖、甘露聚糖等物质，由于其细胞壁中有纤维素的存在，所以其细胞壁机械强度较大，伸缩性较小。但是真菌一样也没有中央大液泡，所以同样条件下其失水较少，质壁分离现象也不如成熟植物细胞明显。

综上所述，成熟植物细胞是质壁分离实验的最佳材料。而未成熟植物细胞、细菌细胞、真菌细胞虽然也能发生质壁分离现象，但是由于细胞壁的伸缩性大小以及细胞失水量多少等原因导致它们质壁分离现象没有成熟植物细胞明显，不适合作为质壁分离实验的实验材料。

1.5 相关习题：

1.5.1 下列哪项不是发生质壁分离的必备条件 （ ）

A. 细胞壁与原生质层的伸缩性不同

B. 液泡的有无

C. 原生质层两侧的溶液具有浓度差

D. 细胞核的大小

解析：发生质壁分离的条件是具有大液泡的活植物细胞、细胞液的浓度小于外界溶液浓度和原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性。

答案：D

1.5.2 如图表示植物细胞渗透作用图解，下列说法中错误的是 （ ）

A. 原生质层是指细胞膜及液泡膜和两者之间的细胞质

B. 成熟植物细胞发生渗透作用的主要原因是原生质层相当于一层半透膜

C. 当溶液浓度甲＞乙时，成熟植物细胞会因渗透发生失水而发生质壁分离现象

D. 未成熟的植物细胞没有原生质层，因此不能发生吸水或失水现象

解析：不成熟的植物细胞仍能发生渗透作用，因为只要有半透膜和膜内外浓度差就可以发生渗透作用，但是比较少，主要还是通过细胞质内亲水性物质对水的吸收即吸胀作用为主。所以未成熟植物细胞失水较少，一般不会发生质壁分离现象，不能用作质壁分离实验的材料。

答案：D

2“细胞大小与物质运输的关系”实验的改进

人教版高中生物第六章，第一节“细胞的增殖”中有一个实验，实验目的是探究：“细胞大小与物质运输效率的关系”。课本中实验步骤如下：①将琼脂块切成边长分别为3 cm，2 cm，1 cm的正方体。②将3块琼脂块放在烧杯内，加入氢氧化钠溶液，将琼脂块淹没，浸泡10分钟。③取出琼脂块，用纸巾吸干，用塑料刀把琼脂块切开，测量氢氧化钠扩散深度。④记录测量结果，计算，填表，分析。

琼脂块边长/cm表面积/ cm☒体积/ cm3比值（表面积/体__积）NaOH扩散深度/cm___比值（NaOH扩散的体积/整个琼脂块的体积）___________________________________________________________3________________________________________________________2___________________________________________________________1

经过填表和有关的数据分析可以得出相应实验结论。

虽然这一实验思路能很好地得出相应的结论，但是在教学实践中却发现这样处理学生很难理解：为什么体积越小相对表面积越大？为什么相对表面积越大物质运输效率越大？因为教材上的这两个结论都是建立在抽象的数据比较和数据分析基础上的，学生在脑海里很难建立起相应的空间想象模型。也就是说学生对于这些结论是死记硬背的，这样一来学生就不能理解和应用。通过多年的教学实践，结合数学上的相关内容，我觉得采用以下的两种实验思路效果更好，更有利于学生的理解应用。

2.1 材料用具：含酚酞的琼脂块，塑料餐刀，防护手套，塑料勺，毫米尺，纸巾，烧杯，氢氧化钠溶液。

2.2 实验步骤：

第一步：切取三块边长为3 cm的正方体琼脂块，编号为甲，乙，丙;甲不做处理，乙用塑料餐刀切为两等份，丙用塑料餐刀切为四等份。如下图所示：（沿虚线切割）

第二步：将甲，乙，丙三块琼脂块放在烧杯中，加入氢氧化钠溶液，将琼脂块淹没，浸泡10分钟，用塑料勺不时翻动琼脂块。

第三步：取出琼脂块，用纸巾吸干，用塑料刀把琼脂块切开，测量氢氧化钠扩散深度。

第四步：计算，分析。

在改进实验一中，相同体积的琼脂块甲乙丙，经切割处理以后很明显：丙的四个琼脂小块的表面积之和＞乙的两个琼脂小块的表面积之和＞甲的表面积，所以可以得出结论：细胞体积越小，相对表面积（表面积与体积之比）就越大。

经过测量之后我们知道只要时间合适，相同时间内所有琼脂块中氢氧化钠的扩散深度是一样的，所以氢氧化钠扩散的体积只与表面积有关，既氢氧化钠扩散的体积与琼脂块的表面积呈正相关。原因学生也很容易理解，因为表面积越大，琼脂块与氢氧化钠接触的面积就越大，琼脂块就越容易吸收氢氧化钠。那么单位体积琼脂块吸收氢氧化钠的体积就与相对表面积呈正相关，而单位体积琼脂块吸收氢氧化钠的体积就代表了物质运输效率，所以可以得出结论：相对表面积越大，物质运输效率就越大。

实验改进以后我们可以发现，在这里我们不再需要学生填表，也不需要学生做大量的数据分析，学生只要利用初中学的数学知识再加上一定的空间想象力，就可以很容易地理解和记忆课本上的这两个结论，而且由于学生在脑海里通过想象建立起了相应的知识模型，他们也就能很好地运用这两个结论。

2.3 相关习题：生物体的生长既靠细胞的生长又靠细胞的分裂。细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大。通过下面的实验，探究细胞大小与物质运输的关系。

实验过程：将三个边长相同且含有酚酞的琼脂块按如图所示处理，然后浸泡在NaOH溶液中，10 min后取出，测量每块NaOH扩散的深度，实验结果如表格中所示：

琼脂块 比值（表面_______________________积/体积）__NaOH扩散深度/cm_____比值（NaOH扩散的体积/整个琼脂块的体积）_____________________________________________________________________________甲0.5__________________________________________________________________________乙0.5___丙__________________________________________________0.5

（1）根据实验结果可知，NaOH在每一琼脂块内扩散的速率__________。

（2）甲、乙、丙三个琼脂块的表面积/体积大小关系是___________，可以得出结论___________。

（3）根据相同时间内_____，_____之比可以反映出物质运输效率，甲、乙、丙三个琼脂块的物质运输效率的大小关系是_________。

解析：（1）由表可知NaOH扩散速率相同。（2）甲乙丙三个琼脂块体积相同，丙的表面积最大，其表面积与体积之比也最大，也就是相对表面积最大，同理乙的相对表面积次之，甲的相对表面积最小。所以可以得出结论体积越小，相对表面积越大。（3）物质运输效率即单位时间单位体积琼脂块吸收的NaOH的多少，所以可以用“NaOH扩散的体积/整个琼脂块的体积”表示，很明显丙的表面积最大，吸收的NaOH最多，物质运输效率也最大，同理甲的物质运输效率最小。

答案：（1）相同

（2）丙＞乙＞甲 体积越小，相对表面积越大

（3）NaOH扩散的体积与整个琼脂块的体积 丙＞乙＞甲

（作者单位：安徽省颍上第一中学）