渗透作用实验的改进与教学研究

摘要

以蛋壳内膜为半透明材料，选择PVC透明活接、直角弯头、水管等材料，自制渗透装置。利用自制装置进行渗透实验，并在此基础上拓展探究渗透作用发生的条件，不同材料半透膜的透性，半透膜对淀粉、葡萄糖、离子的透性一系列延伸探究实验，既能丰富实验内容，又能真正让该实验落地生根，以达成教学目标。

Graphical abstract

关键词

渗透作用装置 / 实验改进 / 教学研究

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称课标）指出，教师要组织好探究性学习活动，帮助学生增加感性认识，克服对微观结构认识的困难，使学生领悟科学研究的方法并习得相关的操作技能^［1］。“渗透作用实验”是人教版（2019年版）高中生物学必修1·《分子与细胞》第4章第1节的一个演示实验，课标建议“通过模拟实验探究膜的透性”。借助该实验，不仅能使学生主动参与实验探究，提高实践能力，还帮助学生从分子水平理解渗透作用的原理，为学习生物学重要概念“物质通过被动运输的方式进出细胞”奠定基础。但在实际教学中，由于实验装置组装困难、耗时长，难以进行多组平行实验等，实验开出率不高。为解决上述问题，笔者改进实验装置，并在此基础上拓展开发了一系列探究实验。

1 实验用具及制备

（1） 实验材料。

玻璃纸、蛋壳内膜、肠衣、纱布、0.30 g/mL的蔗糖溶液、0.25 g/mL的葡萄糖溶液、质量分数为3%的可溶性淀粉溶液、鸡蛋清稀释液、碘液、斐林试剂、双缩脲试剂、尿糖试纸、清水、热水、饱和NaCl溶液、蒸馏水。

（2） 实验仪器。

量筒、试管、试管架、试管夹、烧杯、滴管、酒精灯、三脚架、石棉网、火柴、秒表、直尺、电导率传感器。

（3） 制备蛋壳内膜。

使鸡蛋尖头破碎，倒出蛋液，冲洗蛋壳内部；再用镊子轻轻敲碎蛋壳钝端，敲碎后去除蛋壳；看到没有破损的内膜后，用滴管的胶头端沿蛋壳内壁轻推，使内膜与蛋壳分离，再加入少量清水；继续轻推，让内膜在水的重力作用下进一步与蛋壳分离，去除没有内膜的蛋壳；继续上述操作，直至内膜与蛋壳完全脱离。向制备的蛋壳内膜中加入少量清水，若不漏水，则说明制备成功。将制备好的蛋壳内膜浸泡在清水中，备用。

2 实验装置

（1） 制作材料。

内径25 mm的PVC透明活接、内径25 mm的PVC透明直角弯头、外径25 mm的PVC透明水管、717透明胶水、内径25 mm的管夹、亚克力支架。

（2） 制作方法。

将PVC透明水管截成长度为6 cm和8 cm的小段；先用长度为6 cm的透明水管分别连接透明活接的螺帽和直角弯头，再在直角弯头的另一端连接8 cm的水管；用相同方法连接透明活接的接头一端；所有管件连接处均涂抹717透明胶水进行密封；旋转螺母将螺帽和接头两部分连接起来，调整方向使两端水管都朝上，再拧紧，最后固定到装有管夹的亚克力支架上（图1）。

（3） 使用方法。

将蛋壳内膜剪成直径为3.5 cm的圆片，把圆片放在接头处；将螺帽一端对准接头，旋转螺母固定，再把组装好的装置夹在支架上；在装置一侧加入60 mL 0.3 g/mL蔗糖溶液，另一侧加入等量清水；在水管相应位置画上标志线，每隔15 min记录两侧液面的变化（表1）。

（4） 结论：水分子可以透过蛋壳内膜，而蔗糖分子不能透过蛋壳内膜。

3 延伸探究

（1） 探究渗透作用发生的条件。

在装置两侧加入不同浓度的蔗糖溶液，达到平衡后浓度高的一侧液面高。若加入同样浓度的蔗糖溶液，则两侧液面高度始终一致；若将蛋壳内膜换为单层纱布，则蔗糖溶液很快透过纱布流入另一侧，且两侧液面始终相等。结论：渗透作用的发生需要半透膜和浓度差。如果半透膜两侧存在浓度差，渗透的方向就是水分子从水的相对含量高的一侧向相对含量低的一侧渗透^［2］。

（2） 探究不同材料半透膜的透性。

同时组装3套渗透作用装置，半透膜依次选用玻璃纸、蛋壳内膜和肠衣，达到平衡后，蛋壳内膜组两侧液面高度差明显大于其他两组，说明蛋壳内膜的透性大于玻璃纸和肠衣。

（3） 探究半透膜对淀粉的透性。

在渗透装置的一侧加入60 mL 3%的淀粉溶液，另一侧加入等量的碘液；1 h后，分别吸取2 mL两侧溶液加入试管中，观察现象；淀粉一侧溶液变蓝，碘液一侧不变色，说明淀粉不能透过半透膜，而碘液可以透过半透膜。

（4） 探究半透膜对葡萄糖的透性。

在渗透装置一侧加入0.25 g/mL葡萄糖溶液，另一侧加入等量清水，每隔15 min记录两侧液面变化（表2）；1 h后，吸取清水一侧2 mL溶液加入试管中，向试管中注入1 mL斐林试剂；将试管放入盛有50～65 ℃温水的大烧杯中加热，2 min后出现砖红色沉淀，说明葡萄糖分子可透过半透膜；在实验过程中，葡萄糖一侧液面始终高于清水一侧，推测可能是葡萄糖分子透过半透膜的速率小于水分子。

为了进一步确定葡萄糖的透过量与时间的关系，该组学生还同时组建了5套实验装置，每隔10 min，从1～5组分别取样1 mL溶液依次加入对应的5支试管中，用尿糖试纸进行检测，再与比色板进行对照。结果：取样时间越长，颜色越深，说明葡萄糖含量越高。结论：葡萄糖的透过量与时间呈正相关。

（5） 探究半透膜对蛋白质的透性。

在渗透作用装置一侧加入60 mL鸡蛋清稀释液，另一侧加入双缩脲试剂A液（0.1 g/mL NaOH）；1 h后，分别吸取2 mL两侧溶液加入两支试管中，在两支试管中同时加入4滴双缩脲试剂B液，振荡摇匀；加入蛋清稀释液的试管呈现紫色，而加入NaOH的试管呈现双缩脲试剂的蓝色。结论：蛋白质不能透过半透膜，而OH^-可以透过半透膜。学生第一次实验用的是蛋壳内膜，两支试管都出现紫色，这是因为NaOH对蛋壳内膜有腐蚀性，使蛋壳内膜破损；学生第二次实验用的是玻璃纸，实验很成功，这也说明玻璃纸具有一定的抗腐蚀性。

（6） 探究半透膜对离子的透性。

实验原理：在相同条件下，溶液中无机盐离子浓度越高，电导率就越强。实时测定电导率，就可以反映出溶液中离子浓度的变化过程。在渗透装置一侧加入饱和NaCl溶液，另一侧加入等量蒸馏水，将电导率传感器的电极插入蒸馏水一侧，通过数据采集器连接到电脑，电脑上的实验系统软件就可以实时记录电导率的变化情况。结论：Na⁺和Cl^-可以透过半透膜。

4 教学反思

实验装置取材容易，造价低廉，操作简便；可以将探究半透膜对淀粉和离子的透性合并为一个实验，简化实验流程；对膜的透性进行多角度延伸探究，可由定性实验上升为定量实验。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 朱正威，赵占良.普通高中教科书生物学必修1·分子与细胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.