人教版高中生物必修一《探究膜的透性》实验改进

人教版高中生物必修一《探究膜的透性》实验改进

一、教学分析

1.教材分析：

本实验源于人教版生物必修1《分子与细胞》第四章第1节被动运输的“问

题探讨”中的演示实验。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》建议开展模

拟实验探究膜的透性，帮助学生达成对相关概念的理解，促进学生生物学学科核

心素养的提升。

2.学情分析：

学生已经知道了细胞是生物体结构和功能的基本单位，也认同细胞时刻与外

界进行物质交换。但对微观的渗透作用，因缺乏宏观实验现象的验证，导致学生

的感性认识不足。

3.教学目标：

（1）通过模拟实验建构模型，类比细胞的物质跨膜运输，形成结构和功能

观。

（2）通过体验探究过程，掌握科学探究的基本思路和方法，运用类比建模

等思维方式揭示细胞的物质跨膜运输。

（3）通过提出问题、获取信息、设计实验、实施实验等过程发展科学探究，

提高科学探究的实践能力。

（4）运用生物学的知识解决现实生活问题。

二、教材实验的局限性

1.实验材料：

卵壳膜、肠衣膜、洋葱内表皮等材料制备过程繁琐、难以重复使用、实验现

象不明显

2.实验装置：

教材中供参考的实验装置存在以下问题：（1）实验器具较多，包含铁架台、

烧杯、长颈漏斗等器材，会占用较大空间且不易移动；（2）向长颈漏斗中加液

和倒液操作较为烦琐，学生不易操作；（3）重复实验需要拆卸长颈漏斗，容易

损坏半透膜。

3.实验方案

本实验最主要的目的是帮助学生理解渗透作用的原理和条件。教材实验方案

只演示了渗透现象，原理和条件需要学生通过联想、思考、归纳得出，导致学生

的感性认识不足。

4.实验试剂

教材实验中，半透膜内外的溶液分别为无色的蔗糖溶液和蒸储水，学生需通

过观察液面变化感受渗透作用的发生，实验现象不够明显。

三、实验设计及优化

1.实验装置

经过反复实验和优化，设计并制订了一套实验装置，实验设计图见图1,装

置组件见图2,依次是装液槽、防漏胶圈、螺丝和螺母。装置主体设计为长方体，

选用亚克力材料，装液槽边缘等距打孔.在两个槽之间放置半透膜和防漏胶圈，

用螺丝和螺母进行固定。

图1实验装置设计图2实验装置组件

2.实验试剂

用红糖溶液代替无色的蔗糖溶液，相比在无色蔗糖溶液中滴加红墨水，减少

了无关变量的干扰。

3.实验方案

实验方案由演示实验改为探究实验，可以探究以下问题：（1）探究渗透作

用的发生需要半透膜；（2）探究渗透作用的发生需要浓度差；（3）探究葡萄

糖分子、淀粉分子、蛋白质分子等物质的跨膜情况。学生可以利用该实验装置,

通过设计实验、实施实验、分析结果等过程，在感性认识的基础上，通过分析得

出结论，既有利于学生理解知识，形成生命观念，也有利于培养学生的科学思维

和科学探究。

四、教学过程

（一）创设情境，引入实验

情境一：血液透析（hemodialysis,HD）是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代治

疗方式之一。利用半透膜原理，将体内血液引流至体外，血液与含机体浓度相似

的电解质溶液（透析液）在一根根空心纤维内外，进行物质交换，清除体内的代谢

废物、维持电解质和酸碱平衡，并将经过净化的血液回输到体内。

情境二：将新鲜的黄瓜放在蔗糖与食醋配制成的糖醋汁液中，开始时黄瓜萎

缩，糖醋汁液面上升。2d后，糖醋汁液面下降，黄瓜膨胀并有酸甜味道。

（二）发现问题，提出假设

学生通过情景提出问题并做出假设。例如：通过血液透析，为什么能清除体

内的代谢废物、维持电解质和酸碱平衡？将新鲜的黄瓜放在糖醋汁液中，开始时

黄瓜为什么萎缩？2d后，黄瓜膨胀并有酸甜味道的原因是什么？学生可以尝试

做出假设：黄瓜萎缩是因为发生了失水。

（三）设计实验，验证假设

1.实验用具：自制渗透装置、玻璃纸（赛璐粉）、保鲜膜、纱布、滤纸、烧

杯、玻璃棒、量筒、滴管等。

2.实验试剂：蒸储水、红糖溶液、蛋白质溶液、淀粉溶液、葡萄糖溶液、稀

盐酸、碳酸钙、浪麝香草酚蓝水溶液。

（四）实验步骤：

实验1：探究渗透作用需要半透膜

设计3组对照实验，每组实验装置由两个装液槽组成，3组装液槽之间分别

放置玻璃纸、保鲜膜和纱布，装液槽左侧均装人红糖溶液，右侧装人等体积的蒸

储水（图3、图4）,一段时间后观察液面变化。

图3（纱布组）图4（左为保鲜膜组、右为玻璃纸组）

实验2：探究渗透作用需要浓度差

设计两组对照实验，每组实验装置由两个装液槽组成，连接处均为玻璃纸。

第1组装置左右两侧分别装0.5g/mL红糖溶液和0.2g/mL红糖溶液；第

2组左右两侧均装入0.5g/mL红糖溶液，一段时间后观察液面变化。（图5、

图6）

图5图6

实验3：探究其他物质的跨膜情况

结合物质检测的方法，可利用渗透装置探究葡萄糖分子、淀粉分子、蛋白质

分子等物质的跨膜情况，帮助学生理解半透膜的选择性：一般只允许透过溶剂或

小分子溶质，大分子溶质不能透过。

（1）探究蛋白质分子跨膜情况

实验装置由两个装液槽组成，两槽分别装蛋白质溶液和蒸镭水，两槽之间放

玻璃纸（图7）。一段时间后，分别从两槽内取1mL液体，用双缩眼试剂检测，

观察槽内溶液的沿测变化。

图7

（2）探究CO2的跨膜情况

取一个广口瓶，内装HC1和CaCCh（用于制备CO?）,并将玻璃纸围成袋状,

内装澳麝香草酚蓝水溶液，袋口用棉线扎紧，将玻璃纸袋固定在广口瓶内（图8）。

一段时间后，观察袋内的液面变化。

图8

（3）探究葡萄糖跨膜情况

实验装置由两个装液槽组成，两槽分别装葡萄糖溶液和蒸储水，两槽之间放

玻璃纸（图9）。一段时间后，分别从两个槽内取1mL液体，用斐林试剂检测，

观察两支试管内溶液颜色变化。

图9

（五）进行实验，展示成果

学生分组进行实验，各小组探究不同的课题，并展示实验结果。

实验1：探究渗透作用需要半透膜（如图10所示）

玻璃纸组：左侧红糖溶液液面上升，右侧蒸储水液面下降且无颜色变化，说

明水分子可以从蒸储水一侧通过玻璃纸进入红糖溶液，而蔗糖分子不能透过；保

鲜膜组：保鲜膜不具透性，两侧液体高度及颜色均无变化；纱布组：纱布具有全

透的，红糖溶液能够通过纱布与蒸储水混合，两侧颜色均匀，且不出现液面差。

通过上述对比实验结果可以说明：渗透作用的发生需要半透膜。

图10（左为保鲜膜组、右为玻璃纸组）

实验2：探究渗透作用需要浓度差

第1组两侧出现液面高度差，第2组液面未变化（图11、12）,实验结果说

明：渗透作用的发生需要有浓度差。

图11图12

实验3：探究其他物质的跨膜情况

（1）探究蛋白质分子跨膜情况

左槽（蛋白质溶液）待测液结果变紫色，右槽（蒸储水）待测液不变紫色，

说明蛋白质分子不能通过玻璃纸。

（2）探究CO2的跨膜情况

袋内的澳麝香草酚蓝水溶液由蓝色变绿色再变黄色（图13）,结果说明CO?

可以通过玻璃纸（半透膜）。

图13

（3）探究葡萄糖跨膜情况

两支试管都出现砖红色沉淀（图14）,说明葡萄糖分子可以通过玻璃纸（半

透膜）。

图14

五、评价与反思

（一）实验创