“細胞大小與物質運輸的關系”實驗中瓊脂塊模具的開發及改良

廣東省湛江市第二中學(524000) 王 定 張杏球 趙志超

1 前言

“細胞大小與物質運輸的關系”是人教版高中“分子與細胞”中的一個實驗，旨在通過瓊脂塊模擬不同大小的細胞，探究細胞表面積與體積之比和物質運輸效率之間的關系，探討細胞不能無限長大的原因。本實驗操作簡單，但制作“3cm×3cm×6cm”的瓊脂塊，并將其切成邊長為1cm、2cm、3cm的瓊脂塊，過程比較繁瑣，教材中無相關制作方法的介紹或者建議，用現有工具制作的瓊脂塊，浪費原料較多。筆者通過生活中常見的材料，用不同染色－褪色原理制作和重復實驗，總結了瓊脂塊的制作方法，并將實驗的原理進行改良，避免了實驗過程中NaOH腐蝕性的危險，取得了較好的實驗效果。

2 瓊脂塊磨具的制作

在探究瓊脂塊制作的過程中，我們采用了網絡上唯一一款用于本實驗的 “魚型磨具”及冰箱制冰冰格，發現凝固后的瓊脂塊不能順利脫離模具。采用質地柔軟的塑料模具不耐熱，反復用幾次后，模具變形，不能重復實驗。制作96個規格為3cm×3cm×6cm的瓊脂塊需要瓊脂溶液6000mL，還需要再次切割成實驗需要的3種不同規格瓊脂塊，過程繁瑣。最終，我們借鑒了烘焙蛋糕用到的工具，用軟件設計好產品規格，如圖1所示。在4個角落的格子邊緣設計好相應的刻度，以1mm為單位。利用硅膠材料做成了邊長為1cm、2cm、3cm的立方體硅膠模型。硅膠模具質地柔軟，耐高溫，瓊脂凝固后容易脫模。3套不同規格的硅膠模具成品如圖2所示。

圖1 硅膠模具設計圖

圖2 硅膠模具成品圖

將冷卻至60℃的瓊脂溶液倒入到硅膠模具中，高度為剛好浸沒模具頂端為宜，用直尺等表面光滑的工具刮去表層溢出的瓊脂液。待其冷卻后，輕抵模具底部，便可使瓊脂塊順利脫模。每一套模具均有30個3種規格的瓊脂塊，在實驗過程中2人1組，可以滿足一個班級60位學生同時進行實驗的需求。使用的瓊脂溶液為1080mL，一般配置1200mL的瓊脂即可滿足30組實驗的需要，極大地節省了實驗材料。

3 改良染色－褪色原理

教材中用NaOH將含酚酞的瓊脂塊染成紫紅色。切割染色瓊脂塊，通過測量紫紅色的深度，即可計算出在相同時間內，物質擴散進細胞的體積與細胞的總體積之比，可反映出細胞的物質運輸效率。由于學生對 “NaOH溶液強腐蝕性”存在害怕心理而降低了實驗的積極性，筆者借助維生素C可以使吲哚酚溶液褪色的實驗原理，在配置瓊脂溶液的過程中，加入一定量的吲哚酚，瓊脂塊呈現出藍色。將其置于維生素C溶液中發現藍色褪去，并能短時間直接觀察到褪色過程。

實驗表明，4～5min即可讓邊長為1cm的瓊脂立方體完全褪色。維生素C可選擇藥店常售的 “Vc片”或者含維生素C的泡騰片，都可以獲得良好的褪色效果。2012年版的北師大教材中指出，維生素C也可以使含碘液的淀粉溶液褪色，筆者在瓊脂塊中加入碘液處理后的淀粉溶液，瓊脂塊呈現出深藍色，維生素C溶液也可使其褪色。

4 測量方法改良

原教材實驗中瓊脂顯色后，需要對瓊脂塊進行切割，繼而測量，而本實驗改良，直接用直尺測量褪色的長度即可計算出不同大小的 “細胞”物質擴散的效率，結果直觀、快捷。

5 褪色反應后瓊脂塊的復色

實驗結束后，筆者可以將褪色后的含淀粉的瓊脂塊浸入到一定濃度的碘液中，又可以使瓊脂塊染成藍色，以供后面學生繼續實驗。經過褪色－復色多次操作，實驗效果依然明顯。通過實驗數據構建出數學模型直觀地表明：瓊脂塊的表面積與體積之比，隨著瓊脂塊的增大而減小，褪色的體積與整個瓊脂塊體積之比，隨著瓊脂塊體積的減小而增大。引導學生依此類推：細胞體積越小，相對表面積越大，物質運輸效率越高。

通過將生活中的材料用于實驗，巧妙地利用染色—褪色原理，提高了學生的實驗設計能力、動手能力。