探究植物细胞外界溶液浓度与质壁分离的关系（实验）教学实录与评析

“探究植物细胞质壁分离”教学设计

上海市浦东复旦附中分校

杜芸

说课题目

使用教材

“探究植物细胞外界溶液浓度与质壁分离的关系”的改进

学科类别

生命科学

《生命科学（高中第一册试用本）》，

上海科学技术出版社

实验材料：紫色洋葱鳞叶（紫色外表皮、白色内表皮）

实验器材

实验仪器与试剂：显微镜、装有S-EYE可视化程序的计算机、镊子、载玻片、盖玻片、烧杯和清水、10%、20%、30% 的蔗糖溶液、红墨水

1）在实验操作中质壁分离的细胞原生质层收缩形状并不规则，利用紫色中央大液泡的实验特色面积B'与细胞面积A'的比值，作为课本中B/A的替代。

或创新点

2）利用更易于撕取的洋葱鳞叶白色内表皮在加入红墨水的高浓度蔗糖溶液中质壁分离，使学生自己得出“并非只有紫色的洋葱鳞叶细胞才能发生质壁分离”这一结论

实验原理及实验设计思路

当细胞液中的水分透过原生质层进入外界溶液时,使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。由于原生质层容易变形的细胞膜随之收缩较大，而不容易变形的细胞壁则保持原来形状，所以会观察到原本紧贴的细胞壁和细胞膜相互分离，中间出现了空隙，我们称这种原生质层与细胞壁分离的现象为质壁分离。细胞液与外界溶液的浓度差是细胞失水或吸水的重要条件。

1）理解质壁分离的概念和原理

2）学会洋葱外表皮临时装片的制作和数字化实验设备的操作

3）体会用恰当的材料、方法和指标分析实验结果的科学探究过程

（一）介绍质壁分离原理

（一）学生实验：观察洋葱鳞叶紫色外表皮细胞质壁分离过程及测量质壁分离程度

（二）演示实验：观察洋葱鳞叶白色内表皮细胞质壁分离现象

（一）介绍成熟植物细胞质壁分离原理

当细胞液中的水分透过原生质层进入外界溶液时,使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。由于原生质层容易变形的细胞膜随之收缩较大，而不容易变形的细胞壁则保持原来形状，所以会观察到原本紧贴的细胞壁和细胞膜相互分离，中间出现了空隙，我们称这种原生质层与细胞壁分离的现象为质壁分离。

根据水分子是以协助扩散方式出入细胞膜等选择透过性膜的原理（分子从高浓度移向低浓度），当细胞液的浓度<外界溶液的浓度时,细胞液中的水分就透过原生质层进入外界溶液中,发生了质壁分离；当细胞液的浓度>外界溶液的浓度时,外界溶液中的水分就透过原生质层进入细胞液中,整个原生质层就会慢慢地恢复成原来的状态,使植物细胞逐渐发生质壁分离复原。因此细胞液与外界溶液的浓度差是细胞失水或吸水的重要条件。

（二）学生实验：观察洋葱鳞叶紫色外表皮细胞质壁分离过程及测量质壁分离程度

1、紫色洋葱鳞叶外表皮临时装片的制作

取紫色洋葱鳞叶，用镊子撕去部分表皮放在载玻片中央清水中，展平，盖上盖玻片。

实验教学目标

实验教学内容

实验教学过程

2、显微镜观察

难点分析：这一部分需要演示利用S-EYE软件进行显微镜数字化图像实时观察、视频采集、图像截取及测量等操作。由于本实验采用了数字化实时成像实验设备，因而正确使用可视化软件成为课本要求之外的重要技能，需花一定时间介绍软件基本用法

3、进行10%、20%、30%蔗糖溶液引流，显微镜观察

课本中的实验设计非常精巧的一点，在于洋葱鳞叶紫色外表皮细胞为中央大液泡中具有色素的成熟植物细胞，由于薄原生质层附着在中央大液泡上，使得我们可以利用有颜色的中央大液泡近似原生质层，借助显微镜直接观察到植物细胞质壁分离的现象。

受限于时间，单组学生完成课本要求的三个浓度的蔗糖溶液中洋葱细胞质壁分离的观察测量时间不足。由于三个浓度引流操作和观察过程基本相同，所以设计每组完成洋葱细胞在某一浓度蔗糖溶液中的质壁分离实验操作及数据记录，之后由三个组共享数据。观察到的图示如图1a、1b所示。

图2 洋葱鳞叶紫色外表皮质壁分离前、后对比

（a）清水中的洋葱鳞叶紫色外表皮细胞镜检结果

（b）在30%蔗糖溶液中质壁分离的洋葱鳞叶紫色外表皮细胞镜检结果

4、

绘图、测量

课本对这一部分的要求为：“测量细胞长度A和原生质层长度B，计算B/A（%）记入实验报告中，并绘制蔗糖溶液浓度与洋葱细胞质壁分离程度（B/A）的关系曲线。”

然而，如图1b所示，在实验操作中质壁分离的细胞原生质层收缩形状并不规则，学生对B/A（%）（其中B表示原生质层长度，A表示细胞长度）这一指标的使用常常出现疑问，不确定B值应如何测量。由于目镜测微尺只能测量长度，因而教材中的实验设计采用了长度比来表征质壁分离程度。而借助连接电脑的显微镜，我们可以利用软件实时采集图像，通过二维图像来更准确地描述这一现象。

图2 借助网格对质壁分离程度衡量指标B/A(%)改进

在实验中，我们将一维的衡量指标拓展到二维，即利用视野中收缩后的紫色中央大液泡面积与细胞面积的比值，来衡量质壁分离的程度。并且借鉴本科实验“油膜面积估算法”的思路，在利用可视化软件S-EYE拍摄细胞质壁分离实时照片之后，利用Windows画图软件在图片上显示网格线，并且采用“不满半格不计数，超过半格算一格”的原则，计数得出紫色中央大液泡的面积B'与以细胞壁为边界的细胞面积A'的比值，作为课本中B/A的替代。如图2中黑色虚线框所示的细胞，紫色中央大液泡的截面积为45格，细胞截面积为68格，则表征质壁分离程度的指标：

原生质层面积）

（细胞面积）

（三）演示实验：观察洋葱鳞叶白色内表皮细胞质壁分离现象

图

3 洋葱鳞叶紫色外表皮和白色内表皮质壁分离对比

（a）洋葱鳞叶紫色外表皮镜检结果

（b）洋葱鳞叶白色内表皮质壁分离镜检结果

由于教材中采用了紫色洋葱鳞叶表皮细胞作为观察植物细胞质壁分离的材料，以本实验为知识主体的相关练习题中也多以紫色洋葱鳞叶表皮细胞作为质壁分离的典型例子，因而很多学生会误以为“只有紫色洋葱鳞叶表皮细胞才可以发生质壁分离”。针对这一误区，我们希望拓展实验材料，使学生观察到除洋葱鳞叶紫色外表皮之外的细胞的质壁分离现象。洋葱鳞叶白色透明的的内表皮更厚，更韧，比紫色的外表皮更容易撕得单层细胞。因而，如果能改进实验方法，使学生成功观察到白色的洋葱内表皮细胞质壁分离，不仅可以提高实验操作的简便性，还可以加深学生对于质壁分离现象实质的理解。

将红墨水与30%蔗糖溶液混合，并且为避免洋葱鳞叶与载玻片、盖玻片之间的液体对观察结果的影响，我们在载玻片上直接滴加含红墨水的蔗糖溶液，保留较大面积的洋葱鳞叶内表皮，在溶液上展平，然后在洋葱鳞叶上方滴加清水，再加盖玻片，即使洋葱鳞叶表皮与盖玻片之间充满清水，以减少红墨水对视野的影响，或不加盖玻片直接观察。注意短时间内完成观察记录。结果如图3（b）所示，原生质层与细胞壁之间充满了淡红色的液体。这一现象可以帮助部分学生纠正“只有紫色洋葱鳞叶外表皮细胞才能发生质壁分离”的观念，进一步理解质壁分离现象的实质。

通过改进实验，用二维的“面积比”来代替一维的“长度比”来表征质壁分离程度，使学生加深对质壁分离程度的理解；使学生自己得出“并非只有紫色的洋葱鳞叶细胞才能发生质壁分离”这一结论。课后学生反映对质壁分离有了更深的认识和理解，而且在完成面积比的计算之后，进一步启发

“如果有技术能够看到三维立体的细胞，有没有办法更准确地衡量质壁分离的程度”这一问题时，很多学生都能迅速回答出“再增加一个维度，用中央大液泡与细胞体积比衡量质壁分离程度”的答案。达到了实验教学在培育学生学科素养、学科育人上的功能。

实验教学效果与评价