吴旭春

1实验背景

“细胞大小与物质运输的关系”是人教版教科书《必修1.分子与细胞》第六章“细胞的生命历程”中的第一节“细胞增殖”中的一个模拟实验。为了说明“细胞为什么不能无限长大”的原因之一是细胞表面积与体积关系的限制，设计了这个模拟实验。本模拟实验中以含有酚酞的琼脂块模拟细胞；以NaOH溶液模拟被细胞吸收的物质。由于酚酞遇NaOH显粉红色，学生可通过观察琼脂块“细胞”由无色变成粉红色的过程，了解NaOH分子扩散进入“细胞”的过程；再通过测量NaOH扩散进入琼脂块“细胞”的深度，获得相应数据。学生经计算、比较不同体积琼脂块“细胞”吸收物质的速率，可预测细胞表面积、体积之比与细胞代谢、物质运输的关系，进而理解细胞不能无限长大的原因。

2课本实验设计方案和原理

2.1实验方案

①用含有酚酞的琼脂块模拟细胞，用边长分别为3cm、2cm、1cm正方体琼脂块代表不同细胞的大小。

②质量分数为0.1%的NaOH溶液模拟细胞吸收的物质。

2.2实验原理

①含有酚酞的琼脂块遇到NaOH，会变为红色。利用酚酞与碱性溶液变红的特性，学生容易观察和测量NaOH扩散进入琼脂的深度。

②NaOH在琼脂块中扩散的速度相同，在相同时间内，NaOH扩散的深度（或琼脂块变红的体积）与琼脂块的总体积的比值可以反映NaOH在琼脂块中扩散的效率。此过程可模拟细胞大小与物质运输效率的关系。

3该模拟实验在实际操作过程中遇到问题的思考

3.1琼脂块的制作问题

①获取琼脂对于学生来说比较麻烦，但从材料选取角度来讲应该是方便易取、便于观察。

②琼脂块的制作要配制浓度比例，琼脂浓度太高则琼脂块会太硬，影响实验现象；琼脂浓度太低，则琼脂块易变形会影响切割。

③琼脂在熔化加热过程中要不断搅拌，否则易引起焦糊甚至导致烧杯破裂。

3.2酚酞与NaOH的安全性问题

酚酞是极易引起过敏的一种物质，操作过程中要戴一次性防护手套，避免直接接触皮肤。NaOH具有极强的腐蚀性，操作时要尽量避免接触皮肤。这两种试剂有一定的危险性，所以操作过程中学生会畏手畏脚，处理不好会导致危险。

3.3材料使用后的处理问题

材料使用以后的处理要小心，避免对环境造成危害。

4实验改进方案

4.1改进实验材料

①用白萝卜块模拟细胞，萝卜块不同大小模拟细胞的大小

②红墨水代替酚酞和NaOH，观察红墨水进入白萝卜的深度。

以上材料學生很容易获取，且操作方便，实验现象明显。

其他材料：刀、毫米尺、烧杯。

4.2实验操作过程

①取白萝卜1根，清洗干净。

②将白萝卜适当切成若干块，并将萝卜条放在热水中煮沸10min。此操作很重要，必须通过煮沸处理的萝卜才能做此实验。如果是新鲜的萝卜条红墨水是不能扩散进入的，因为活细胞具选择透过性，只有煮熟了细胞使其失去选择透过性，红墨水才能进入便于观察测量。此处也可设计对照（活细胞和死细胞）实验观察现象，让学生理解只有活细胞才能表现出细胞的选择透过性，否则细胞表现出全透性。

③将煮过的萝卜条待冷却后，将其切割成边长分别是3cm、2cm、1cm的正方体。

④将10mL红墨水滴入400mL清水中。

⑤将切割好的不同大小萝卜正方体同时放入以上红墨水中，过10min后取出。

⑥用纸巾分别吸去萝卜块表面浮色，再用刀将萝卜块切成两半，用尺分别测量红墨水扩散的深度，记录测量结果。

⑦根据测量结果进行计算，并填写表1。

5教学反思

本实验设计方案的改进主要遵循实验材料方便易取，操作过程简单方便，实验效果明显直观的原则。用萝卜代替琼脂，红墨水代替酚酞和NaOH，操作没有危险性，学生可以大胆操作。另外，学生在家中就可进行的就地取材，做相关探究实验。实验效果比较明显，能够达到教要求的目的，同时也培养了学生实验创新能力。

如果按改进方案进行该实验，实验材料选择的范围将大大扩大，只要是无色的生物材料，将其细胞杀死，都可以利用红墨水扩散原理进行该模拟实验。用土豆为材料时，可以用碘液为试剂，利用碘液与淀粉反应呈蓝紫色的显色反应，测出碘扩散进入土豆的深度。

建议：在煮萝卜条时要控制好时间，时间太短细胞未死，红墨水扩散进入会有影响；时间太长，萝卜可能会煮烂，影响切割。可以先切割成不同大小的正方体直接煮。另外，萝卜用墨水处理后切割前，要用吸水纸把表面浮色擦净，防止切割时影响内部颜色。