《分子与细胞》模块两个实验的教学改良 高中生物获二等奖论文

摘要：生物学是一门以实验为基础的自然科学。生物学实验是人类认识和研究生物科学的重要手段，也是生物学教学的重要手段之一，对培养学生的科学素质和能力提高有着不可替代的作用，是深受学生喜爱的课堂教学形式。本文通过选择典型的实验案例，结合实验教学探索，对浙科版必修一《分子与细胞》模块中“模拟探究细胞表面积与细胞体积的关系”和“探究洋葱表皮细胞细胞液的浓度范围”两个实验，提出改良措施和建议，以促进实验教学效果的提高。

关键词：高中生物  实验个案  探究  改良

正文
高中生物新课程新教材特别强调实验和其他实践活动的教学，希望教师尽可能多让学生参与实验及其他实践活动，使学生身临其境，亲自动手和动脑，从而提高学生的动手能力与创新能力。但实际的实验教学完成情况及教学效果往往不尽如人意。普遍存在以下问题：①课时紧张，教学任务重，难以完成教材中所有实验；②探索性实验大多难以落实，一般学校班级多，班额大，课堂管理较难实现；③从应试教育角度出发，认为有些实验不做也不会影响到学生的高考，因此以讲实验代替做试验，难以培养学生独立创新的思维能力；④某些实验材料如黑藻获取困难，需考虑其生长季节性和购买途径；或是实验药品有毒，不安全；⑤学生对于实验兴趣虽然浓厚，但缺乏认真严谨的实验态度，实验目标达成尚不理想。鉴于以上问题，有必要对教材中的有些实验进行改良，以促进实验教学效果的提高。
“细胞结构与物质运输”是必修一《分子与细胞》中非常重要的知识模块，也是学生进入生物学领域的开端，对于理解细胞的结构与功能有着相当重要的意义，能加深学生对于生命科学本质的理解和认识，为后续生物知识的学习奠定基础。
通过浙科版与人教版 “细胞结构与物质运输”这一主题的实验设置进行比较，发现在实验的安排上既有相似之处，也各具特色。例如“探究洋葱表皮细胞细胞液的浓度范围”（浙科版）、“植物细胞的吸水与失水”（人教版）的实验方向及要求不尽相同，“模拟探究细胞表面积与细胞体积的关系”（浙科版）、“细胞大小与物质运输的关系”（人教版）安排与否也不相一致，这些差异值得我们深入分析探究。另外对于实验本身的科学性及操作可行性方面，也存在进一步探索的空间。下面主要针对浙科版必修一《分子与细胞》中“模拟探究细胞表面积与细胞体积的关系”和“探究洋葱表皮细胞细胞液的浓度范围”两个实验进行探究，提出改良的措施与建议。
1.“模拟探究细胞表面积与细胞体积的关系”实验的改良研究
通过调查，有好多高中教师认为，该实验做与不做对于学生理解其原理差别不大，只要用数学原理与学生讲一下就可以了，且实验过程中使用的NaOH溶液具有腐蚀性，为安全起见，好多学校均没有开展。然而该实验操作过程看似比较简单, 但是需要学生用联想的方法将模拟实验的结果迁移至真实的细胞, 明确细胞大小与物质运输效率之间的关系[1]，对培养学生的模拟、探究思维能力非常重要。鉴于实验本身的操作不便等问题，可通过一系列方式加以改进。
1.1 原实验分析
浙科版普通高中课程标准实验教材《分子与细胞》模块部分设计了“模拟探究细胞表面积与细胞体积的关系”模拟实验，该实验是用琼脂块(内含酚酞试液) 模拟细胞，用0.1％的NaOH模拟被细胞吸收的物质。因NaOH溶液遇酚酞试液变粉红色，可以通过观察琼脂块“细胞”变成粉红色的过程，了解到NaOH扩散进入了“细胞”。再通过测量NaOH扩散进入了“细胞”的深度，比较不同体积的琼脂块“细胞”吸收物质的速度,来探究细胞大小与物质运输的关系。
由于NaOH属强碱，有一定的腐蚀性，再加上用量较大，给实验带来一定的危险性，在分组实验时学生可能会有较大的心理压力，不利于完成实验[2]。另外琼脂块起初为无色立方体，在刚浸入NaOH溶液时，表面立刻变成粉红色，随着时间的推移，尽管NaOH会逐渐渗入琼脂块，但难以看到其动态变化过程。
查阅该实验相关文献，基本有以下几种改进方案：①以淀粉琼脂块代替酚酞琼脂块，与碘液进行显色反应；②石蕊代替酚酞，酸液代替NaOH，以紫色琼脂块遇酸变红模拟物质渗透入细胞。③以琼脂球代替琼脂块，模拟更真实的细胞外形。但这些方法均看不到琼脂块颜色渐变的过程，针对这一问题，现将笔者的实验新思路及方法介绍如下。
1.2 改进新方案
对实验原理进行逆向思维，可在制作琼脂块时加入几滴酚酞，将pH调成弱碱性，通过与弱酸或低浓度的强酸溶液反应使琼脂块褪色来模拟物质在细胞内部的扩散。此操作过程非常简单，且好处有以下三点。①琼脂块中事先加有酚酞，在弱碱性条件下呈粉红色，颜色的深浅可以通过酚酞和PH进行调节（见图1）。将琼脂块放入酸液之后，由于酸的扩散作用，慢慢深入琼脂块，可看见红色由外向内逐渐褪色的过程，现象非常明显，比原实验过程更加直观、生动。（见图2）②由于低浓度的碱液即可使酚酞变红，因此改进后的琼脂块碱性很低，基本无腐蚀作用，使用的酸液浓度也很低，操作上比原实验更加安全可靠。③可根据边长为1cm的琼脂块完全褪色的时间作为实验反应时间，预实验中不用摸索扩散时间。
1.3 实验改进结果
制作琼脂块时，琼脂的质量分数为0.8％[3]，加入酚酞数滴，充分混匀后pH≈7～8,H2SO4浓度为1mmol/L。
将边长不等的红色琼脂块放入酸液，不停搅拌，约10分钟后，可观察到边长1cm的琼脂块已完全褪色，此时即为反应终止时间。将琼脂块分别切开，测量红色褪去的深度，即为H2SO4扩散深度。整个实验过程简单快捷。
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