《教學設(shè)計與案例》doc版

1、<p><b>　　三、教學設(shè)計與案例</b></p><p><b>　　薛窯中學 楊勇</b></p><p>　　《探究細胞表面積與體積關(guān)系的模擬實驗》</p><p>　　[模擬實驗的地位、價值]</p><p>　　生物學實驗中，常常有些實驗現(xiàn)象不明顯或不易操作，為了解決這一矛

2、盾，我們可以在實驗室進行一些模擬，這不僅可以激發(fā)學生探索生物奧秘的濃厚興趣，加深對有關(guān)知識的理解，還可以開拓學生的視野，讓學生掌握一種研究生物學的新方法，嘗試用這一方法來解決一些生物學問題。</p><p>　　其實模擬對我們來說并不陌生，老教材中已有多處體現(xiàn)。例如：制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、模擬一對相對性狀遺傳的性狀分離比、小生態(tài)瓶的制作……，只不過沒有引起我們足夠的重視。這種方法在新教材中重新出現(xiàn)，強調(diào)了它的存在

3、價值。當然，模擬畢竟是模擬，與真實情況有差異，不應對其吹毛求疵。</p><p><b>　　[課題分析]</b></p><p><b>　　1．教學目標</b></p><p>　　(1)描述細胞表面積與體積的比例關(guān)系。</p><p>　　(2)分析得出表面積與體積之比較大者，其細胞代謝效率較

4、高。</p><p>　　(3)通過模擬實驗，體驗細胞必須要保持一定的體積，并認同細胞生長到一定大小后停止生長，細胞進入分裂增殖。</p><p><b>　　2．背景描述</b></p><p>　　細胞生命活動中與外界環(huán)境的物質(zhì)交換如吸收養(yǎng)分和排除廢物，都是通過細胞表面的細胞膜來進行。隨著細胞的長大，細胞體積增大，內(nèi)含物增多，用于物質(zhì)交換的

5、表面積便顯得不夠用。假設(shè)細胞是一個半徑為1 btm的球形，則這個球形細胞的體積為y＝4／3πr3＝4.1/cm3，表面積S＝4πr2＝12.5／cm2，表面積與體積的比為3:1，若細胞長大至為原半徑4倍的球狀，這時細胞體積為268／cm3，表面積為200.8／cm2，也就是說，體積增至64倍，表面積才增至16倍，表面積與體積之比為0.7:1如下圖。</p><p>　　顯然，單位體積細胞內(nèi)含物所分攤到的表面積縮小

6、了許多。其結(jié)果會是表面積不足以供物質(zhì)的進出，成為細胞代謝的限制因素，細胞代謝速率將因此而明顯下降。作為解決的辦法，細胞一分為二。仍繼續(xù)上面的例子，268μm3球體積，一分為二，則得到兩個球體積為134μm3的球，每個球的表面積為401μm2，表面積與體積之比值驟增至3：1。單位體積分攤到的表面積增大，細胞的代謝速率必將大增。</p><p>　　由此可見，細胞生長到一定程度，將停止生長，轉(zhuǎn)而進行細胞的分裂。一方面

7、解決細胞生長帶來表面積與體積之比值下降帶來的困境，又是細胞繁衍的方式。</p><p>　　本實驗原理是用瓊脂塊(內(nèi)含酚酞試液)模擬細胞，用NaOH溶液模擬被細胞吸收的物質(zhì)。因NaOH溶液遇酚酞試液變粉紅色，我們可以通過觀察瓊脂塊“細胞”變成粉紅色的過程，了解到NaOH分子擴散進入了“細胞”。再通過測量NaOH擴散進入瓊脂塊“細胞”的深度，比較不同體積的瓊脂塊“細胞”吸收分子的速度。從而來預測表面積與體積比值與細

8、胞代謝的關(guān)系。</p><p><b>　　[材料器具]</b></p><p>　　1．材料和試劑：3 cm× 3 cm×6 cm的含酚酞的瓊脂塊，150 mL 0.1％NaOH溶液。</p><p>　　2．器具：防護手套，塑料餐刀，紙巾，250 mL燒杯，毫米刻度尺和塑料匙。</p><p>&

9、lt;b>　　[教學建議]</b></p><p>　　本實驗用細胞模型說明細胞的表面積與其體積的關(guān)系。學生觀察的是NaOH溶液擴散進入瓊脂塊“細胞”，并將此“細胞”變成粉紅色的過程。每組兩位學生最好。</p><p>　　教學前應讓學生明確細胞模型模擬的原理，即瓊脂塊模擬“細胞”，NaOH溶液模擬的是擴散進入細胞的物質(zhì)。探究的是細胞表面積與體積的關(guān)系。同時學生還應明確酚

10、酞試液是堿性溶液的指示劑，兩者反應呈粉紅色。</p><p>　　實驗時為了切取方便，我們可將瓊脂塊切成立方體，替代圓形。立方體的表面積＝邊長×邊長×6，立方體的體積＝邊長×邊長×邊長。因為細胞體積一般在20~30μm3，所以在數(shù)據(jù)處理上增加一邊長為0.01 cm瓊脂塊的表面積和體積的計算，但具體實驗操作就不要求了。</p><p>　　為了保證實驗

11、的嚴謹性，在放有瓊脂塊的三個燒杯內(nèi)同時加入等量的NaOH溶液，在相同的“擴散”時間后，將瓊脂塊一齊取出。顏色變化的觀察與面積和體積的計算可同時進行。</p><p>　　NaOH屬于強堿溶液，有一定的刺激性和腐蝕性，應避免與皮膚和眼睛接觸，不能人口。學生應戴上防護手套取瓊脂塊，因瓊脂塊曾放在盛有NaOH燒杯中的緣故。這是實驗中務(wù)必要注意提醒學生。如萬一潑灑出來，立即用水沖洗潑灑處15 min。</p>

12、<p>　　本實驗最后要引導學生認同細胞表面積和體積比不能過小，否則會因表面積的限制導致細胞代謝速率下降，這對細胞的生存是不利的。所以當細胞長到一定大時，便不再長大，進而一分為二，為細胞快速代謝創(chuàng)造條件。因此本實驗重點是對不同表面積和體積比的細胞模型進行預測和假設(shè)，這也是科學研究中關(guān)鍵性的技巧。實驗難點的突破點放在對實驗數(shù)據(jù)的分析和歸納上。</p><p><b>　　[探究活動]<

13、/b></p><p>　　步驟一：用塑料刀將瓊脂塊切成三塊邊長分別為3 cm、2 cm和l cm的立方體。</p><p>　　步驟二：把三塊瓊脂塊放在燒杯內(nèi)，加人0.1％NaOH溶液將瓊脂塊淹沒。用塑料匙不時翻動瓊脂塊10min。</p><p>　　步驟三：畫出如下表，進行必要的計算，將表面積、體積和比值三欄填滿。并請簡化數(shù)據(jù)，避免小數(shù)點后面位數(shù)過于龐大

14、。比值指表面積與體積之比。</p><p>　　步驟四：10min后戴上手套，用塑料匙把瓊脂塊從NaOH溶液中取出來。用紙巾把它們吸干，未干之前不要接觸它們。用塑料刀把每一瓊脂塊切成兩半。觀察切面，記錄觀察結(jié)果。測量每一塊上NaOH擴散的深度。填入上表。</p><p><b>　　[分析討論]</b></p><p>　　1．根據(jù)瓊脂塊表面積

15、與體積比值的計算及瓊脂塊變色深度的測量，你能預測到什么?</p><p>　　提示：當NaOH與瓊脂相遇時，其中的酚酞變成粉紅色，因此，從顏色的變化就知道NaOH擴散得有多遠。在一定時間內(nèi)，NaOH在瓊脂塊的每一側(cè)擴散的距離大致相同。說明NaOH在瓊脂塊內(nèi)擴散的速率大致相等。</p><p>　　瓊脂塊從最大到最小的順序為：3 cm、2 cm、1 cm。按表面積與體積比值的順序從最大到最小

16、則為瓊脂塊1 cm(6:1)、2 cm(3:1)、3 cm(2:1)。順序恰好倒過來了。若每邊為0.01 cm，則表面積與體積之比為600:1。隨著細胞體積的增大，表面積與體積的比值就下降，單位體積內(nèi)分配到的表面積越來越小。這對細胞代謝是不利的。因為細胞生命活動與外界環(huán)境的物質(zhì)交換如吸收、排泄、分泌及擴散等，都是通過細胞表面的細胞膜進行的。我們可以預測細胞表面積與體積之比增大會使細胞代謝效率提高。細胞體積一味增大對細胞生存不利。<

17、/p><p>　　(1)大多數(shù)細胞和微生物邊長不到0.01 cm。擴散速率與細胞大小之間的關(guān)系是什么？</p><p>　　提示：擴散速率不變，但由于細胞很小，擴散發(fā)生得很快。</p><p>　　(2)有什么證據(jù)說明NaOH在每一瓊脂塊內(nèi)擴散的速率大致相等?</p><p>　　提示：在一定時間內(nèi)，NaOH在瓊脂塊的每側(cè)擴散的距離大致相當，說明

18、擴散速率大致相等。小的瓊脂塊變成粉紅色較快，不是因為擴散速率大，而是瓊脂塊體積小。</p><p>　　2．大多數(shù)高等動植物細胞的體積一般在20~30μm3之間，根據(jù)本實驗細胞模型的探究，你能分析細胞為什么如此微小?</p><p>　　簡析：細胞如此之小，不用顯微鏡難以看到。研究微觀問題的方法之一是建立模型。模型常常是某一大事物的小復制品。</p><p>　　細

19、胞通過細胞表面的細胞膜與外界進行物質(zhì)交換。隨著細胞體積的變大，更多的細胞質(zhì)就會遠離細胞膜。分子進入細胞后，通過細胞質(zhì)的不斷流動被帶到目的地，這與海洋里的水流對船的作用機制是一致的。但如果細胞很大，為了把物質(zhì)帶到細胞的各個部位，細胞質(zhì)需要流動的距離遠了，物質(zhì)達到細胞中心的時間就相應變長。同時，排出廢物需要的時間也相應增加．細胞長得太大將不利于其更好地生存。所以當細胞長到一定大小時，就會分裂成兩個新的細胞。生物體的大小主要決定于細胞的數(shù)量，

20、與細胞的大小無關(guān)，這就是“細胞體積的守恒定律”。</p><p>　　(1)請?zhí)岢鲆粋€假說來解釋：為什么大的生物體是由許多細胞而不是由比較大的細胞發(fā)展起來的?</p><p>　　提示：一方面，小的細胞單位體積內(nèi)表面積較大，細胞代謝率高。另一方面，盡管擴散作用可以給細胞提供必需的物質(zhì)，并且有助于運出廢物，但物質(zhì)的長距離擴散需很多時間。所以細胞要正常起作用就不能太大?？傊〉募毎苁勾蟮纳?/p>

21、物體的擴散作用與主動轉(zhuǎn)運之間保持有效的平衡。</p><p>　　(2)依據(jù)本實驗，你認為細胞生長到一定程度時，為保證細胞代謝需要，最好的解決辦法是( )</p><p>　　A．不再生長 B．死亡 C分裂 D．消失</p><p>　　提示：選項B與D都不能維持細胞的代謝活動。而選項A中細胞的代謝速率已減慢，也不符合題意。因此最好的解決辦法

22、是選項C分裂。細胞一分為二，使細胞表面積和體積比值增加。</p><p>　　(3)卵細胞的體積一般比較大，如鴕鳥卵黃直徑可達5 cm。這是否違背了“細胞體積的守恒定律”?</p><p>　　提示：卵細胞是一種特殊類型的細胞，因為它含有許多供胚胎發(fā)育使用的營養(yǎng)物質(zhì)——卵黃，而使細胞的體積增大了許多倍。但卵細胞一般與外界交換物質(zhì)較少，故表面積與體積的比例關(guān)系不受此規(guī)律的限制。</p&

23、gt;<p><b>　　[深化拓展]</b></p><p>　　拓展1：這些細胞在于什么?</p><p>　　提示：在要用的載玻片上事先涂上亞甲基藍溶液并晾干。用滴管從酵母菌培養(yǎng)液中吸一些酵母菌細胞，滴在載玻片上。然后蓋上蓋玻片，并放在顯微鏡下觀察。</p><p>　　先用低倍鏡仔細觀察視野中的細胞，然后換用高倍鏡。尋找到

24、兩個相互連在一起的細胞，其中一個可能比另一個要大一些。畫下你所看到的物像。</p><p>　　仔細觀察圖，請你構(gòu)想假說：這兩個連著的細胞正在干什么? 提出一個假說來解釋這種現(xiàn)象。</p><p>　　拓展2：細胞的核與質(zhì)之間有一定的比例關(guān)系</p><p>　　提示：不論細胞體積大小相差多大，但各種細胞核的大小懸殊卻不大。因為一個細胞核內(nèi)所含的遺傳信息量是有一定

25、限度的，能控制細胞質(zhì)的活動也是有限度的，因此一個核能控制細胞質(zhì)的量也有一定限度，細胞質(zhì)的體積不能無限增大。在體積較大的原生動物細胞中出現(xiàn)大核(營養(yǎng)核)與小核(生殖核)的分工，動物細胞的多核現(xiàn)象是否與緩沖核質(zhì)比例有關(guān)呢?值得探討。本實驗可采用觀察人工培養(yǎng)的變形蟲在分裂時的變化情況進行分析．當人工培養(yǎng)的變形蟲快要分裂時，把它的細胞質(zhì)切去一塊，這個變形蟲就不再分裂。等它長大到又要分裂時，又切去一塊，它也不再分裂。但如果讓其繼續(xù)生長，體積達到一

26、定大小時，它又會分裂起來。說明在沒有任何環(huán)境阻力的情況下，細胞不會無限長大。細胞要維持細胞核與細胞質(zhì)體積之間的平衡狀態(tài)。</p><p><b>　　[資料搜索]</b></p><p>　　1．生物體各種細胞的體積差別很大（韓貽仁 分子細胞生物學 北京：科學出版社，2001）</p><p>　　大的如鴕鳥卵黃直徑可達5 cm。最小的支

27、原體只有o．1"m。一般說來，真核細胞的體積要大于原核細胞，高等動物的卵細胞大于體細胞。但卵細胞是一種特殊類型的細胞，因為它含有許多供胚胎發(fā)育使用的營養(yǎng)物質(zhì)——卵黃，而使細胞的體積增大了許多倍。對大多數(shù)高等動物、植物的細胞來說，其體積一般在20一30 μm3之間。多細胞有機體的細胞的大小同生物體的大小無關(guān)。細胞體積的最小極限決定于細胞獨立生活所需的最基本的成分的體積。根據(jù)推算支原體接近于容納所必需的大分子的最小體積極限。細胞要

28、進行生命活動，體積也不能過大，在真核細胞中，細胞核和細胞質(zhì)的比例有一定的關(guān)系；細胞的體積要適于同外界進行物質(zhì)交換，這些因素都決定了細胞要保持一定的體積大小。下表列出幾種細胞的大小。</p><p>　　2．細胞的大小及其分析（翟中和 細胞生物學 北京：高等教育出版社，1995）</p><p>　　分析高等動植物細胞的大小，可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律，不論其種的差異多大，同一器官與組織的細胞

29、的大小更是在一個恒定的范圍之內(nèi)。大象與小鼠的體型大小相差十分懸殊，但大象與小鼠相應器官與組織的細胞大小卻無明顯差異，不僅相應的體細胞大小相似，性細胞的大小也無明顯的差異。因此，器官的大小主要決定于細胞的數(shù)量，與細胞的數(shù)量成正比，而與細胞的大小無關(guān)，這種關(guān)系有人稱之為“細胞體積守恒定律”。我們認為細胞體積的守恒定律可以與細胞是生命活動基本單位的概念聯(lián)系起來理解。</p><p>　　細胞最大體積的極限與什么因素有關(guān)

30、?我們認為有三個方面：第一，細胞的相對表面積與體積的關(guān)系。細胞的體積與相對表面積成反比關(guān)系：細胞體積越大，其相對表面積就越小，細胞與周圍環(huán)境交換物質(zhì)的能力就越小。有些細胞為了增加表面積，就形成很多的突起。第二，細胞的核與質(zhì)之間有一定的比例關(guān)系。一種較為普遍的現(xiàn)象，不論細胞體積大小相差多大，但各種細胞核的大小懸殊不大。第三，細胞內(nèi)物質(zhì)的交流與細胞體積的關(guān)系。細胞內(nèi)的物質(zhì)從一端向另一端運輸或擴散是有時間與空間關(guān)系的，假如細胞的體積很大，勢必

31、影響物質(zhì)傳遞與交流的速度，細胞內(nèi)部的生命活動就不能靈敏地調(diào)控與緩沖。有一些原生動物細胞的伸縮泡可能起著細胞內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　由于上述種種因素的影響，細胞作為生命活動的基本單位，其體積必然要適應其代謝活動的要求，應有一定的限度，因此數(shù)百微米直徑的細胞應被認為是上限了。卵細胞之所以不受此限制，因為早期胚胎發(fā)育是受儲存在卵細胞質(zhì)內(nèi)的mRNA與功能蛋白質(zhì)調(diào)控的，并利用預先儲存在卵細胞質(zhì)內(nèi)的養(yǎng)料，因此

32、在細胞質(zhì)內(nèi)儲存了大量mRNA、蛋白質(zhì)與養(yǎng)料，同時卵細胞與周圍環(huán)境交換物質(zhì)很少，卵細胞的體積大主要因胞質(zhì)擴增所致。</p><p>　　3．分析數(shù)據(jù)與得出結(jié)論（[美國] 帕迪利亞 科學探索者——從細菌到植物 廖蘇梅，蔣婷譯 杭州：浙江教育出版社，2001）</p><p>　　實驗中得到的觀察和測量結(jié)果稱為數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束時要對數(shù)據(jù)進行分析，看看是否存在什么規(guī)律或趨勢。如果能把數(shù)據(jù)整