人教版高中生物必修一《探究膜的透性》實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

人教版高中生物必修一《探究膜的透性》實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

一、教學(xué)分析

1.教材分析：

本實(shí)驗(yàn)源于人教版生物必修1《分子與細(xì)胞》第四章第1節(jié)被動(dòng)運(yùn)輸?shù)摹皢?/p>

題探討”中的演示實(shí)驗(yàn)?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》建議開展模

擬實(shí)驗(yàn)探究膜的透性，幫助學(xué)生達(dá)成對(duì)相關(guān)概念的理解，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核

心素養(yǎng)的提升。

2.學(xué)情分析：

學(xué)生已經(jīng)知道了細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，也認(rèn)同細(xì)胞時(shí)刻與外

界進(jìn)行物質(zhì)交換。但對(duì)微觀的滲透作用，因缺乏宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的驗(yàn)證，導(dǎo)致學(xué)生

的感性認(rèn)識(shí)不足。

3.教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)建構(gòu)模型，類比細(xì)胞的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸，形成結(jié)構(gòu)和功能

觀。

（2）通過(guò)體驗(yàn)探究過(guò)程，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，運(yùn)用類比建模

等思維方式揭示細(xì)胞的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸。

（3）通過(guò)提出問題、獲取信息、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)等過(guò)程發(fā)展科學(xué)探究，

提高科學(xué)探究的實(shí)踐能力。

（4）運(yùn)用生物學(xué)的知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活問題。

二、教材實(shí)驗(yàn)的局限性

1.實(shí)驗(yàn)材料：

卵殼膜、腸衣膜、洋蔥內(nèi)表皮等材料制備過(guò)程繁瑣、難以重復(fù)使用、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)

象不明顯

2.實(shí)驗(yàn)裝置：

教材中供參考的實(shí)驗(yàn)裝置存在以下問題：（1）實(shí)驗(yàn)器具較多，包含鐵架臺(tái)、

燒杯、長(zhǎng)頸漏斗等器材，會(huì)占用較大空間且不易移動(dòng)；（2）向長(zhǎng)頸漏斗中加液

和倒液操作較為煩瑣，學(xué)生不易操作；（3）重復(fù)實(shí)驗(yàn)需要拆卸長(zhǎng)頸漏斗，容易

損壞半透膜。

3.實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)最主要的目的是幫助學(xué)生理解滲透作用的原理和條件。教材實(shí)驗(yàn)方案

只演示了滲透現(xiàn)象，原理和條件需要學(xué)生通過(guò)聯(lián)想、思考、歸納得出，導(dǎo)致學(xué)生

的感性認(rèn)識(shí)不足。

4.實(shí)驗(yàn)試劑

教材實(shí)驗(yàn)中，半透膜內(nèi)外的溶液分別為無(wú)色的蔗糖溶液和蒸儲(chǔ)水，學(xué)生需通

過(guò)觀察液面變化感受滲透作用的發(fā)生，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1.實(shí)驗(yàn)裝置

經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)并制訂了一套實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖見圖1,裝

置組件見圖2,依次是裝液槽、防漏膠圈、螺絲和螺母。裝置主體設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體，

選用亞克力材料，裝液槽邊緣等距打孔.在兩個(gè)槽之間放置半透膜和防漏膠圈，

用螺絲和螺母進(jìn)行固定。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖2實(shí)驗(yàn)裝置組件

2.實(shí)驗(yàn)試劑

用紅糖溶液代替無(wú)色的蔗糖溶液，相比在無(wú)色蔗糖溶液中滴加紅墨水，減少

了無(wú)關(guān)變量的干擾。

3.實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案由演示實(shí)驗(yàn)改為探究實(shí)驗(yàn)，可以探究以下問題：（1）探究滲透作

用的發(fā)生需要半透膜；（2）探究滲透作用的發(fā)生需要濃度差；（3）探究葡萄

糖分子、淀粉分子、蛋白質(zhì)分子等物質(zhì)的跨膜情況。學(xué)生可以利用該實(shí)驗(yàn)裝置,

通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果等過(guò)程，在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析得

出結(jié)論，既有利于學(xué)生理解知識(shí)，形成生命觀念，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

和科學(xué)探究。

四、教學(xué)過(guò)程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引入實(shí)驗(yàn)

情境一：血液透析（hemodialysis,HD）是急慢性腎功能衰竭患者腎臟替代治

療方式之一。利用半透膜原理，將體內(nèi)血液引流至體外，血液與含機(jī)體濃度相似

的電解質(zhì)溶液（透析液）在一根根空心纖維內(nèi)外，進(jìn)行物質(zhì)交換，清除體內(nèi)的代謝

廢物、維持電解質(zhì)和酸堿平衡，并將經(jīng)過(guò)凈化的血液回輸?shù)襟w內(nèi)。

情境二：將新鮮的黃瓜放在蔗糖與食醋配制成的糖醋汁液中，開始時(shí)黃瓜萎

縮，糖醋汁液面上升。2d后，糖醋汁液面下降，黃瓜膨脹并有酸甜味道。

（二）發(fā)現(xiàn)問題，提出假設(shè)

學(xué)生通過(guò)情景提出問題并做出假設(shè)。例如：通過(guò)血液透析，為什么能清除體

內(nèi)的代謝廢物、維持電解質(zhì)和酸堿平衡？將新鮮的黃瓜放在糖醋汁液中，開始時(shí)

黃瓜為什么萎縮？2d后，黃瓜膨脹并有酸甜味道的原因是什么？學(xué)生可以嘗試

做出假設(shè)：黃瓜萎縮是因?yàn)榘l(fā)生了失水。

（三）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假設(shè)

1.實(shí)驗(yàn)用具：自制滲透裝置、玻璃紙（賽璐粉）、保鮮膜、紗布、濾紙、燒

杯、玻璃棒、量筒、滴管等。

2.實(shí)驗(yàn)試劑：蒸儲(chǔ)水、紅糖溶液、蛋白質(zhì)溶液、淀粉溶液、葡萄糖溶液、稀

鹽酸、碳酸鈣、浪麝香草酚藍(lán)水溶液。

（四）實(shí)驗(yàn)步驟：

實(shí)驗(yàn)1：探究滲透作用需要半透膜

設(shè)計(jì)3組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)裝液槽組成，3組裝液槽之間分別

放置玻璃紙、保鮮膜和紗布，裝液槽左側(cè)均裝人紅糖溶液，右側(cè)裝人等體積的蒸

儲(chǔ)水（圖3、圖4）,一段時(shí)間后觀察液面變化。

圖3（紗布組）圖4（左為保鮮膜組、右為玻璃紙組）

實(shí)驗(yàn)2：探究滲透作用需要濃度差

設(shè)計(jì)兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)裝液槽組成，連接處均為玻璃紙。

第1組裝置左右兩側(cè)分別裝0.5g/mL紅糖溶液和0.2g/mL紅糖溶液；第

2組左右兩側(cè)均裝入0.5g/mL紅糖溶液，一段時(shí)間后觀察液面變化。（圖5、

圖6）

圖5圖6

實(shí)驗(yàn)3：探究其他物質(zhì)的跨膜情況

結(jié)合物質(zhì)檢測(cè)的方法，可利用滲透裝置探究葡萄糖分子、淀粉分子、蛋白質(zhì)

分子等物質(zhì)的跨膜情況，幫助學(xué)生理解半透膜的選擇性：一般只允許透過(guò)溶劑或

小分子溶質(zhì)，大分子溶質(zhì)不能透過(guò)。

（1）探究蛋白質(zhì)分子跨膜情況

實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)裝液槽組成，兩槽分別裝蛋白質(zhì)溶液和蒸鐳水，兩槽之間放

玻璃紙（圖7）。一段時(shí)間后，分別從兩槽內(nèi)取1mL液體，用雙縮眼試劑檢測(cè)，

觀察槽內(nèi)溶液的沿測(cè)變化。

圖7

（2）探究CO2的跨膜情況

取一個(gè)廣口瓶，內(nèi)裝HC1和CaCCh（用于制備CO?）,并將玻璃紙圍成袋狀,

內(nèi)裝澳麝香草酚藍(lán)水溶液，袋口用棉線扎緊，將玻璃紙袋固定在廣口瓶?jī)?nèi)（圖8）。

一段時(shí)間后，觀察袋內(nèi)的液面變化。

圖8

（3）探究葡萄糖跨膜情況

實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)裝液槽組成，兩槽分別裝葡萄糖溶液和蒸儲(chǔ)水，兩槽之間放

玻璃紙（圖9）。一段時(shí)間后，分別從兩個(gè)槽內(nèi)取1mL液體，用斐林試劑檢測(cè)，

觀察兩支試管內(nèi)溶液顏色變化。

圖9

（五）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，展示成果

學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各小組探究不同的課題，并展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)1：探究滲透作用需要半透膜（如圖10所示）

玻璃紙組：左側(cè)紅糖溶液液面上升，右側(cè)蒸儲(chǔ)水液面下降且無(wú)顏色變化，說(shuō)

明水分子可以從蒸儲(chǔ)水一側(cè)通過(guò)玻璃紙進(jìn)入紅糖溶液，而蔗糖分子不能透過(guò)；保

鮮膜組：保鮮膜不具透性，兩側(cè)液體高度及顏色均無(wú)變化；紗布組：紗布具有全

透的，紅糖溶液能夠通過(guò)紗布與蒸儲(chǔ)水混合，兩側(cè)顏色均勻，且不出現(xiàn)液面差。

通過(guò)上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明：滲透作用的發(fā)生需要半透膜。

圖10（左為保鮮膜組、右為玻璃紙組）

實(shí)驗(yàn)2：探究滲透作用需要濃度差

第1組兩側(cè)出現(xiàn)液面高度差，第2組液面未變化（圖11、12）,實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)

明：滲透作用的發(fā)生需要有濃度差。

圖11圖12

實(shí)驗(yàn)3：探究其他物質(zhì)的跨膜情況

（1）探究蛋白質(zhì)分子跨膜情況

左槽（蛋白質(zhì)溶液）待測(cè)液結(jié)果變紫色，右槽（蒸儲(chǔ)水）待測(cè)液不變紫色，

說(shuō)明蛋白質(zhì)分子不能通過(guò)玻璃紙。

（2）探究CO2的跨膜情況

袋內(nèi)的澳麝香草酚藍(lán)水溶液由藍(lán)色變綠色再變黃色（圖13）,結(jié)果說(shuō)明CO?

可以通過(guò)玻璃紙（半透膜）。

圖13

（3）探究葡萄糖跨膜情況

兩支試管都出現(xiàn)磚紅色沉淀（圖14）,說(shuō)明葡萄糖分子可以通過(guò)玻璃紙（半

透膜）。

圖14

五、評(píng)價(jià)與反思

（一）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)