瓊脂塊實(shí)驗(yàn)探究

1、對(duì)細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系實(shí)驗(yàn)的研究湖南省郴州市第一中學(xué)高三258班彭程湖南省郴州市第三中學(xué)高三10班何慧玲李燕玲夏培智1問題的提出問題的提出細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系實(shí)驗(yàn)，是將含酚酞的，邊長分別為1、2、3cm的瓊脂塊在NaOH溶液中浸泡10分鐘，觀察NaOH擴(kuò)散的深度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是NaOH在不同邊長的瓊脂塊中擴(kuò)散的深度一致，約為05cm。教材試圖將這一模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果遷移到細(xì)胞以解釋細(xì)胞不能無限長大的原因，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：(1)邊長不同

2、的瓊脂塊中，NaOH的擴(kuò)散速度一致。(2)瓊脂塊的邊長越大，表面積與體積之比值越小，NaOH擴(kuò)散的體積與整個(gè)瓊脂塊的體積之比值越小。(3)通過模擬實(shí)驗(yàn)可以看出，細(xì)胞體積越大，其相對(duì)表面積越小，細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸效率就越低；如果細(xì)胞太大，細(xì)胞核的“負(fù)擔(dān)”就會(huì)過重。在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論時(shí)，我們產(chǎn)生了疑問：細(xì)胞是由小長大的，有足夠時(shí)間讓物質(zhì)從細(xì)胞外圍擴(kuò)散到細(xì)胞中心或反向擴(kuò)散到細(xì)胞外圍，如果把實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長，較大的瓊脂塊的NaOH擴(kuò)散的體積與整個(gè)

3、瓊脂塊的體積之比值不就可以增加嗎？瓊脂塊沒有類似細(xì)胞膜的控制物質(zhì)進(jìn)出的邊界，教材所述實(shí)驗(yàn)結(jié)論強(qiáng)調(diào)細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸效率，而實(shí)驗(yàn)本身及教材所述實(shí)驗(yàn)結(jié)論卻沒有涉及到在物質(zhì)運(yùn)輸中起關(guān)鍵作用的細(xì)胞膜，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟細(xì)胞生命活動(dòng)的平行關(guān)系明顯嗎？我們感到此實(shí)驗(yàn)的情境與結(jié)果跟活細(xì)胞及其物質(zhì)運(yùn)輸有較大區(qū)別，模擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)的細(xì)胞生命活動(dòng)之間的平行關(guān)系不夠明顯，難以充分說明細(xì)胞不能無限長大的主要原因，教材的實(shí)驗(yàn)分析不夠全面、不夠深刻，有待完善（當(dāng)然，教材編者

4、出于整體的編寫思路，無需對(duì)一個(gè)小局部全面著力，另外，不把實(shí)驗(yàn)分析詳細(xì)或全面表述出來也是一種編教科書的技巧，確實(shí)應(yīng)該給學(xué)生留下思考、分析的空間，由教師引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)分析）。2主要的研究方法主要的研究方法21文獻(xiàn)法文獻(xiàn)法上網(wǎng)搜索、瀏覽相關(guān)資料，下載典型資料；查閱大學(xué)教材。處理、分析獲取的資料，確定研究方向和實(shí)驗(yàn)方案。22實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)探究221第一次實(shí)驗(yàn)將30g瓊脂通過加熱煮沸溶于1000mL水中，再加入1g酚酞試劑。注入大小和形狀不同的容

5、器中冷卻，制成不同大小和形狀的瓊脂塊。將瓊脂塊浸泡在01gmL的NaOH溶液中，10分鐘后取出，迅速吸干表面的NaOH溶液，在與表面垂直的方向切開瓊脂塊，測量NaOH擴(kuò)散深度的平均值。對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的改進(jìn)，有實(shí)驗(yàn)材料的替換和瓊脂塊形狀的改變等，如用果凍替換瓊脂塊和按照碘遇淀粉變藍(lán)色的原理替換實(shí)驗(yàn)材料。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作有操作方面的所謂優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。由于教材介紹的實(shí)驗(yàn)操作簡便可行，各種“改進(jìn)”的必要性不大。例如，東北師大的王秀莉博士因細(xì)胞多為

6、球狀而建議把瓊脂塊改為瓊脂球[1]，“改進(jìn)”的理由是不充分的，因?yàn)榧?xì)胞的形態(tài)多種多樣，瓊脂塊的形狀并不重要，重要的是在與瓊脂塊表面垂直的方向上測量NaOH的擴(kuò)散深度，所以，王博士的“改進(jìn)”沒有價(jià)值。各種教學(xué)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)分析環(huán)節(jié)都是照本宣科，并沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)分析環(huán)節(jié)提出疑問或見解。僅有姜永均老師[2]指出該實(shí)驗(yàn)只是模擬了物質(zhì)出入細(xì)胞的自由擴(kuò)散方式，而作為活細(xì)胞有選擇性地控制物質(zhì)出入的主要方式──主動(dòng)運(yùn)輸，在實(shí)驗(yàn)中則沒能體現(xiàn)出來，致該實(shí)驗(yàn)存在不足

7、之處而受到質(zhì)疑。姜老師建議巧妙地設(shè)置問題，呈現(xiàn)給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生的思維發(fā)散開去，將書本中的前后知識(shí)聯(lián)系起來，融會(huì)貫通，使他們洞悉現(xiàn)象與本質(zhì)的差異，理解實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性原則。姜老師的觀點(diǎn)與我們的看法有相同之處，但姜老師在文中沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深刻分析，沒有指出引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的具體方法。我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)的研究是獨(dú)到的，對(duì)該實(shí)驗(yàn)的初步分析是一種創(chuàng)新見解。33實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的疑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的疑點(diǎn)在NaOH溶液中浸泡10分鐘，NaOH在瓊脂柱中的擴(kuò)散深度

8、達(dá)到05cm，切成兩段，一段在NaOH溶液中再浸泡10分鐘，一段置于空氣中，NaOH在兩截瓊脂柱中繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散，而瓊脂柱的外圍紅色消褪形成本色環(huán)，該淺色環(huán)的寬度還會(huì)隨時(shí)間的延續(xù)而增加。這一現(xiàn)象用空氣中的CO2進(jìn)入瓊脂柱來解釋行不通。4分析與討論分析與討論41模擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)的細(xì)胞生命活動(dòng)之間的平行關(guān)系不太明顯模擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)的細(xì)胞生命活動(dòng)之間的平行關(guān)系不太明顯411活細(xì)胞的邊界細(xì)胞膜有控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的作用，瓊脂塊沒有這樣的邊界，NaOH溶

9、液在瓊脂塊中的擴(kuò)散只相當(dāng)于細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)的擴(kuò)散運(yùn)輸，該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不能說明細(xì)胞表面之細(xì)胞膜的重要作用。412活細(xì)胞在細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)時(shí)的胞內(nèi)物質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)輸?shù)乃俣葧?huì)增加，細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器還有特殊的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方式。413觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法與指標(biāo)是測量NaOH在一定時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)散深度，也可得出“細(xì)胞太大，物質(zhì)從細(xì)胞外圍部分遠(yuǎn)距離運(yùn)送到細(xì)胞中心部分有困難”的結(jié)論，但這一結(jié)論又會(huì)產(chǎn)生疑問，因?yàn)榧?xì)胞是由小長大的、持續(xù)生活的，細(xì)胞長到較大體積的過程中，細(xì)胞中心的物質(zhì)有