教学设计与案例

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1、1三、教学设计与案例三、教学设计与案例薛窑中学薛窑中学 杨勇杨勇 探究细胞表面积与体积关系的模拟实验探究细胞表面积与体积关系的模拟实验 模拟实验的地位、价值模拟实验的地位、价值生物学实验中，常常有些实验现象不明显或不易操作，为了解决这一矛盾，我们可以 在实验室进行一些模拟，这不仅可以激发学生探索生物奥秘的浓厚兴趣，加深对有关知识 的理解，还可以开拓学生的视野，让学生掌握一种研究生物学的新方法，尝试用这一方法 来解决一些生物学问题。其实模拟对我们来说并不陌生，老教材中已有多处体现。例如：制作 DNA 双螺旋结 构、模拟一对相对性状遗传的性状分离比、小生态瓶的制作，只不过没有引起我们足 够的重视。

2、这种方法在新教材中重新出现，强调了它的存在价值。当然，模拟毕竟是模拟， 与真实情况有差异，不应对其吹毛求疵。 课题分析课题分析1教学目标教学目标(1)描述细胞表面积与体积的比例关系。(2)分析得出表面积与体积之比较大者，其细胞代谢效率较高。(3)通过模拟实验，体验细胞必须要保持一定的体积，并认同细胞生长到一定大小后停 止生长，细胞进入分裂增殖。2背景描述背景描述细胞生命活动中与外界环境的物质交换如吸收养分和排除废物，都是通过细胞表面的 细胞膜来进行。随着细胞的长大，细胞体积增大，内含物增多，用于物质交换的表面积便 显得不够用。假设细胞是一个半径为 1 btm 的球形，则这个球形细胞的体积为 y

3、43r34.1/cm3，表面积 S4r212.5cm2，表面积与体积的比为 3:1，若细胞长 大至为原半径 4 倍的球状，这时细胞体积为 268cm3，表面积为 200.8cm2，也就是说， 体积增至 64 倍，表面积才增至 16 倍，表面积与体积之比为 0.7:1 如下图。显然，单位体积细胞内含物所分摊到的表面积缩小了许多。其结果会是表面积不足以供物2质的进出，成为细胞代谢的限制因素，细胞代谢速率将因此而明显下降。作为解决的办法， 细胞一分为二。仍继续上面的例子，268m3球体积，一分为二，则得到两个球体积为134m3的球，每个球的表面积为 401m2，表面积与体积之比值骤增至 3：1。单位

4、体积 分摊到的表面积增大，细胞的代谢速率必将大增。由此可见，细胞生长到一定程度，将停止生长，转而进行细胞的分裂。一方面解决细 胞生长带来表面积与体积之比值下降带来的困境，又是细胞繁衍的方式。本实验原理是用琼脂块(内含酚酞试液)模拟细胞，用 NaOH 溶液模拟被细胞吸收的物 质。因 NaOH 溶液遇酚酞试液变粉红色，我们可以通过观察琼脂块“细胞”变成粉红色的 过程，了解到 NaOH 分子扩散进入了“细胞” 。再通过测量 NaOH 扩散进入琼脂块“细胞” 的深度，比较不同体积的琼脂块“细胞”吸收分子的速度。从而来预测表面积与体积比值 与细胞代谢的关系。 材料器具材料器具1材料和试剂：3 cm 3

5、cm6 cm 的含酚酞的琼脂块，150 mL 0.1NaOH 溶液。2器具：防护手套，塑料餐刀，纸巾，250 mL 烧杯，毫米刻度尺和塑料匙。 教学建议教学建议本实验用细胞模型说明细胞的表面积与其体积的关系。学生观察的是 NaOH 溶液扩散 进入琼脂块“细胞” ，并将此“细胞”变成粉红色的过程。每组两位学生最好。教学前应让学生明确细胞模型模拟的原理，即琼脂块模拟“细胞” ，NaOH 溶液模拟的 是扩散进入细胞的物质。探究的是细胞表面积与体积的关系。同时学生还应明确酚酞试液 是碱性溶液的指示剂，两者反应呈粉红色。实验时为了切取方便，我们可将琼脂块切成立方体，替代圆形。立方体的表面积边 长边长6，

6、立方体的体积边长边长边长。因为细胞体积一般在 2030m3，所以 在数据处理上增加一边长为 0.01 cm 琼脂块的表面积和体积的计算，但具体实验操作就不 要求了。为了保证实验的严谨性，在放有琼脂块的三个烧杯内同时加入等量的 NaOH 溶液，在 相同的“扩散”时间后，将琼脂块一齐取出。颜色变化的观察与面积和体积的计算可同时 进行。NaOH 属于强碱溶液，有一定的刺激性和腐蚀性，应避免与皮肤和眼睛接触，不能人 口。学生应戴上防护手套取琼脂块，因琼脂块曾放在盛有 NaOH 烧杯中的缘故。这是实验 中务必要注意提醒学生。如万一泼洒出来，立即用水冲洗泼洒处 15 min。本实验最后要引导学生认同细胞表

7、面积和体积比不能过小，否则会因表面积的限制导 致细胞代谢速率下降，这对细胞的生存是不利的。所以当细胞长到一定大时，便不再长大， 进而一分为二，为细胞快速代谢创造条件。因此本实验重点是对不同表面积和体积比的细 胞模型进行预测和假设，这也是科学研究中关键性的技巧。实验难点的突破点放在对实验 数据的分析和归纳上。 探究活动探究活动步骤一：用塑料刀将琼脂块切成三块边长分别为步骤一：用塑料刀将琼脂块切成三块边长分别为 3 cm、2 cm 和和 l cm 的立方体。的立方体。步骤二：把三块琼脂块放在烧杯内，加人步骤二：把三块琼脂块放在烧杯内，加人 0.1NaOH 溶液将琼脂块淹没。用塑料匙不溶液将琼脂块淹

8、没。用塑料匙不 时翻动琼脂块时翻动琼脂块 10min。步骤三：画出如下表，进行必要的计算，将表面积、体积和比值三栏填满。并请简化步骤三：画出如下表，进行必要的计算，将表面积、体积和比值三栏填满。并请简化 数据，避免小数点后面位数过于庞大。比值指表面积与体积之比。数据，避免小数点后面位数过于庞大。比值指表面积与体积之比。琼脂块的大小琼脂块的大小表面积表面积cm2体积体积cm3比值比值NaOH 扩散深度扩散深度 cm3 cm32 cm1 cm0.01 cm步骤四：步骤四：10min 后戴上手套，用塑料匙把琼脂块从后戴上手套，用塑料匙把琼脂块从 NaOH 溶液中取出来。用纸巾把它溶液中取出来。用纸巾

9、把它 们吸干，未干之前不要接触它们。用塑料刀把每一琼脂块切成两半。观察切面，记录观察们吸干，未干之前不要接触它们。用塑料刀把每一琼脂块切成两半。观察切面，记录观察 结果。测量每一块上结果。测量每一块上 NaOH 扩散的深度。填入上表。扩散的深度。填入上表。分析讨论分析讨论1根据琼脂块表面积与体积比值的计算及琼脂块变色深度的测量，你能预测到什么根据琼脂块表面积与体积比值的计算及琼脂块变色深度的测量，你能预测到什么?提示：当 NaOH 与琼脂相遇时，其中的酚酞变成粉红色，因此，从颜色的变化就知 道 NaOH 扩散得有多远。在一定时间内，NaOH 在琼脂块的每一侧扩散的距离大致相同。 说明 NaOH

10、 在琼脂块内扩散的速率大致相等。 琼脂块从最大到最小的顺序为：3 cm、2 cm、1 cm。按表面积与体积比值的顺序从最 大到最小则为琼脂块 1 cm(6:1)、2 cm(3:1)、3 cm(2:1)。顺序恰好倒过来了。若每边为 0.01 cm，则表面积与体积之比为 600:1。随着细胞体积的增大，表面积与体积的比值就下降， 单位体积内分配到的表面积越来越小。这对细胞代谢是不利的。因为细胞生命活动与外界 环境的物质交换如吸收、排泄、分泌及扩散等，都是通过细胞表面的细胞膜进行的。我们 可以预测细胞表面积与体积之比增大会使细胞代谢效率提高。细胞体积一味增大对细胞生 存不利。(1)大多数细胞和微生物

11、边长不到 0.01 cm。扩散速率与细胞大小之间的关系是什么？提示：扩散速率不变，但由于细胞很小，扩散发生得很快。(2)有什么证据说明 NaOH 在每一琼脂块内扩散的速率大致相等?提示：在一定时间内，NaOH 在琼脂块的每侧扩散的距离大致相当，说明扩散速率大 致相等。小的琼脂块变成粉红色较快，不是因为扩散速率大，而是琼脂块体积小。2大多数高等动植物细胞的体积一般在 2030m3之间，根据本实验细胞模型的探 究，你能分析细胞为什么如此微小?简析：细胞如此之小，不用显微镜难以看到。研究微观问题的方法之一是建立模型。 模型常常是某一大事物的小复制品。细胞通过细胞表面的细胞膜与外界进行物质交换。随着细

12、胞体积的变大，更多的细胞 质就会远离细胞膜。分子进入细胞后，通过细胞质的不断流动被带到目的地，这与海洋里 的水流对船的作用机制是一致的。但如果细胞很大，为了把物质带到细胞的各个部位，细 胞质需要流动的距离远了，物质达到细胞中心的时间就相应变长。同时，排出废物需要的 时间也相应增加细胞长得太大将不利于其更好地生存。所以当细胞长到一定大小时，就 会分裂成两个新的细胞。生物体的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的大小无关，这就 是“细胞体积的守恒定律” 。(1)请提出一个假说来解释：为什么大的生物体是由许多细胞而不是由比较大的细胞发 展起来的?提示：一方面，小的细胞单位体积内表面积较大，细胞代谢率高。

13、另一方面，尽管扩 散作用可以给细胞提供必需的物质，并且有助于运出废物，但物质的长距离扩散需很多时 间。所以细胞要正常起作用就不能太大。总之，小的细胞能使大的生物体的扩散作用与主 动转运之间保持有效的平衡。(2)依据本实验，你认为细胞生长到一定程度时，为保证细胞代谢需要，最好的解决办 法是( )A不再生长 B死亡 C 分裂 D消失4提示：选项 B 与 D 都不能维持细胞的代谢活动。而选项 A 中细胞的代谢速率已减慢， 也不符合题意。因此最好的解决办法是选项 C 分裂。细胞一分为二，使细胞表面积和体积 比值增加。(3)卵细胞的体积一般比较大，如鸵鸟卵黄直径可达 5 cm。这是否违背了“细胞体积的

14、守恒定律”?提示：卵细胞是一种特殊类型的细胞，因为它含有许多供胚胎发育使用的营养物质 卵黄，而使细胞的体积增大了许多倍。但卵细胞一般与外界交换物质较少，故表面积与 体积的比例关系不受此规律的限制。 深化拓展深化拓展拓展 1：这些细胞在于什么?提示：在要用的载玻片上事先涂上亚甲基蓝溶液并晾干。用滴管从酵母菌培养液中吸 一些酵母菌细胞，滴在载玻片上。然后盖上盖玻片，并放在显微镜下观察。先用低倍镜仔细观察视野中的细胞，然后换用高倍镜。寻找到两个相互连在一起的细 胞，其中一个可能比另一个要大一些。画下你所看到的物像。仔细观察图，请你构想假说：这两个连着的细胞正在干什么? 提出一个假说来解释这 种现象。

15、拓展 2：细胞的核与质之间有一定的比例关系提示：不论细胞体积大小相差多大，但各种细胞核的大小悬殊却不大。因为一个细胞 核内所含的遗传信息量是有一定限度的，能控制细胞质的活动也是有限度的，因此一个核 能控制细胞质的量也有一定限度，细胞质的体积不能无限增大。在体积较大的原生动物细 胞中出现大核(营养核)与小核(生殖核)的分工，动物细胞的多核现象是否与缓冲核质比例有 关呢?值得探讨。本实验可采用观察人工培养的变形虫在分裂时的变化情况进行分析当人 工培养的变形虫快要分裂时，把它的细胞质切去一块，这个变形虫就不再分裂。等它长大 到又要分裂时，又切去一块，它也不再分裂。但如果让其继续生长，体积达到一定大小

16、时， 它又会分裂起来。说明在没有任何环境阻力的情况下，细胞不会无限长大。细胞要维持细 胞核与细胞质体积之间的平衡状态。 资料搜索资料搜索1生物体各种细胞的体积差别很大（韩贻仁 分子细胞生物学 北京：科学出版社， 2001）大的如鸵鸟卵黄直径可达 5 cm。最小的支原体只有 o1“m。一般说来，真核细胞的 体积要大于原核细胞，高等动物的卵细胞大于体细胞。但卵细胞是一种特殊类型的细胞， 因为它含有许多供胚胎发育使用的营养物质卵黄，而使细胞的体积增大了许多倍。对 大多数高等动物、植物的细胞来说，其体积一般在 20 一 30 m3之间。多细胞有机体的细 胞的大小同生物体的大小无关。细胞体积的最小极限决定于细胞独立生活所需的最基本的 成分的体积。根据推算支原体接近于容纳所必需的大分子的最小体积极限。细胞要进行生 命活动，体积也不能过大，在真核细胞中，细胞核和细胞质的比例有一定的关系；细胞的 体积要适于同外