基于数字化实验的“细胞大小与物质运输的关系”的改进
2022-06-08
探究“细胞大小与物质运输的关系”是人教版教材必修一第6章“细胞增殖”中的模拟实验。教材中的实验方案是用含有酚酞的琼脂块模拟细胞，被吸收的物质用NaOH模拟，酚酞遇NaOH显示紫红色，利用色带的宽度来确定NaOH扩散的深度，通过计算得出不同相对表面积的琼脂块吸收物质的速率，间接说明细胞物质运输的效率能限制其长大。实验过程中发现该方案操作繁琐，实验现象不稳定，正确的实验结论不易得出，经过多次实践后笔者运用数字化实验改进了实验的不足，直观观察到实验数据，获得明显的实验效果。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
1 教材实验方案的缺陷
“细胞大小与物质运输关系”是定量分析的实验，实验数据常需要精确到毫米级，试验过程中微小误差都可能导致实验失败。课本的实验在操作过程中需要对大小不等的琼脂块进行翻动、切割、测量，测量时琼脂块越小操作越困难，产生的误差也越大。课本中实验方案是用边长为3 cm、2 cm、1 cm的正方体琼脂块模拟细胞的大小，实验时发现边长1 cm的琼脂块不到5 min就能全部变成红色，学生无法测量出NaOH扩散的实际深度，对实验结果存在疑惑。甚至有些学生测得3种琼脂块中NaOH扩散的深度不同（理论上应该相同），计算归纳出与教材相反的结论。
细胞对物质的吸收是一个相对连续的过程。课本实验只能测出一定时间内物质进入琼脂块的速度，在测量时需将琼脂块切开两半，该琼脂块随后无法继续进行实验，因此只获得一次实验数据，易存在实验误差。实验中使用的NaOH具有一定的腐蚀性，溶液使用量大，易泼洒出来接触眼睛、皮肤和衣服，造成伤害。
2 实验改进的思路
利用电导率法测定物质运输的效率，电导率即为溶液传导电流的能力。纯水的电导率很小，当水中含有无机酸、碱、盐或有机带电胶体时，溶解于水中的电解质解离成正、负离子，电导率就增加；当溶解于水中的电解质浓度降低时，电导率下降。数字化实验系统主要是由计算机、传感器、数据采集器和系统软件等构成，能够将化学反应以及现象的本质转化为同步监测的信号。电导率法测定物质运输简化了实验步骤，无需切割、测量，降低了实验过程中可能出现的误差，同时能直观、准确、实时地反映物质进入琼脂块后，溶液中物质含量的动态连续变化过程。
用NaCl溶液代替NaOH。NaCl是实验室中的常规药品，易称易配、安全可靠，减轻了老师和学生在实验过程中的心理负担。实验时分别测定质量分数是0.8%的NaCl溶液、放入3×3×3 cm的琼脂块的0.8%NaCl溶液、放有0.5×0.5×0.5 cm小琼脂块的0.8%NaCl溶液的电导率，比较单位时间内电导率的降低幅度，能间接说明细胞大小与物质运输效率的关系。
3 改进后的实验活动
3.1 制作琼脂块
称取20 g琼脂粉溶解于1 000 mL蒸馏水中，边加热边搅拌，充分溶解煮沸后即可停止加热。趁热将以上琼脂溶液缓慢倒入200×100 mm圆形水槽中。待其充分冷凝后，用小刀切出4块等体积（3×3×3 cm）的琼脂块，将其中两块琼脂块再次切割成0.5×0.5×0.5 cm小琼脂块。
3.2 配制电解液
在1 000 mL蒸馏水中溶解6 gNaCl，用磁力搅拌器充分溶解、混匀。分别量取200 mL NaCl溶液分装到3个250 mL烧杯中，编号1、2、3。1号烧杯中的NaCl溶液不做任何处理作为对照组，2号烧杯中加入两块3×3×3 cm的琼脂块，3号烧杯中加入0.5×0.5×0.5 cm的小琼脂块。
3.3 测量电导率
将数据采集器、计算机和电导率传感器（含电极）组装连接好，打开数据采集器和计算机，进入数字化实验软件系统，开始测量三个烧杯中溶液的电导率，如图1所示。实验过程中需用玻棒轻轻搅拌琼脂块，搅拌时注意不要破坏琼脂表面。
3.4 结果比较
课本实验方案需要进行切割、测量，再依据测量结果计算出表面积/体积和NaOH扩散体积/总体积的比值（表1），而电导率测定法在连续测得准确实验数据的同时将实验结果用曲线图直观、明显地展示出来（图2），不需要再进行数值的筛选与重组，轻而易举看出模拟细胞体积越大，物质运输的效率就越低。
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1 教材实验方案的缺陷
“细胞大小与物质运输关系”是定量分析的实验，实验数据常需要精确到毫米级，试验过程中微小误差都可能导致实验失败。课本的实验在操作过程中需要对大小不等的琼脂块进行翻动、切割、测量，测量时琼脂块越小操作越困难，产生的误差也越大。课本中实验方案是用边长为3 cm、2 cm、1 cm的正方体琼脂块模拟细胞的大小，实验时发现边长1 cm的琼脂块不到5 min就能全部变成红色，学生无法测量出NaOH扩散的实际深度，对实验结果存在疑惑。甚至有些学生测得3种琼脂块中NaOH扩散的深度不同（理论上应该相同），计算归纳出与教材相反的结论。
细胞对物质的吸收是一个相对连续的过程。课本实验只能测出一定时间内物质进入琼脂块的速度，在测量时需将琼脂块切开两半，该琼脂块随后无法继续进行实验，因此只获得一次实验数据，易存在实验误差。实验中使用的NaOH具有一定的腐蚀性，溶液使用量大，易泼洒出来接触眼睛、皮肤和衣服，造成伤害。
2 实验改进的思路
利用电导率法测定物质运输的效率，电导率即为溶液传导电流的能力。纯水的电导率很小，当水中含有无机酸、碱、盐或有机带电胶体时，溶解于水中的电解质解离成正、负离子，电导率就增加；当溶解于水中的电解质浓度降低时，电导率下降。数字化实验系统主要是由计算机、传感器、数据采集器和系统软件等构成，能够将化学反应以及现象的本质转化为同步监测的信号。电导率法测定物质运输简化了实验步骤，无需切割、测量，降低了实验过程中可能出现的误差，同时能直观、准确、实时地反映物质进入琼脂块后，溶液中物质含量的动态连续变化过程。
用NaCl溶液代替NaOH。NaCl是实验室中的常规药品，易称易配、安全可靠，减轻了老师和学生在实验过程中的心理负担。实验时分别测定质量分数是0.8%的NaCl溶液、放入3×3×3 cm的琼脂块的0.8%NaCl溶液、放有0.5×0.5×0.5 cm小琼脂块的0.8%NaCl溶液的电导率，比较单位时间内电导率的降低幅度，能间接说明细胞大小与物质运输效率的关系。
3 改进后的实验活动
3.1 制作琼脂块
称取20 g琼脂粉溶解于1 000 mL蒸馏水中，边加热边搅拌，充分溶解煮沸后即可停止加热。趁热将以上琼脂溶液缓慢倒入200×100 mm圆形水槽中。待其充分冷凝后，用小刀切出4块等体积（3×3×3 cm）的琼脂块，将其中两块琼脂块再次切割成0.5×0.5×0.5 cm小琼脂块。
3.2 配制电解液
在1 000 mL蒸馏水中溶解6 gNaCl，用磁力搅拌器充分溶解、混匀。分别量取200 mL NaCl溶液分装到3个250 mL烧杯中，编号1、2、3。1号烧杯中的NaCl溶液不做任何处理作为对照组，2号烧杯中加入两块3×3×3 cm的琼脂块，3号烧杯中加入0.5×0.5×0.5 cm的小琼脂块。
3.3 测量电导率
将数据采集器、计算机和电导率传感器（含电极）组装连接好，打开数据采集器和计算机，进入数字化实验软件系统，开始测量三个烧杯中溶液的电导率，如图1所示。实验过程中需用玻棒轻轻搅拌琼脂块，搅拌时注意不要破坏琼脂表面。
3.4 结果比较
课本实验方案需要进行切割、测量，再依据测量结果计算出表面积/体积和NaOH扩散体积/总体积的比值（表1），而电导率测定法在连续测得准确实验数据的同时将实验结果用曲线图直观、明显地展示出来（图2），不需要再进行数值的筛选与重组，轻而易举看出模拟细胞体积越大，物质运输的效率就越低。