高中生物新教材“被动运输”解读

高中生物新教材“被动运输”解读

1问题探讨

与现行教材相比，本节问题探讨添加了设问：如果漏斗管足够长，管内液面会无限升高吗？为什么？

学生可能会有这样想：漏斗内蔗糖溶液的浓度一直高于烧杯内的清水，因此烧杯内的水分将永不停歇地通过半透膜进入漏斗，漏斗内的液面将一直上升不会停止。实际上，管内液面上升到一定高度之后，管中水柱产生的压力将加速将漏斗中的水分“压出”，水分进入漏斗（因为浓度差）的速率和水分流出（因为管中水柱的压力）的速率相等时，液面将不在上升。

问题探讨通过设问，引导学生考虑“压力势”的影响，这可以帮助学生随后弄清为什么植物细胞不能无限吸水。植物细胞吸水膨胀后会对细胞壁产生压力，细胞壁反过来也挤压原生质体，细胞壁产生的压力导致水从植物细胞中挤压出来，最终植物细胞吸水和细胞壁将水从细胞中压出之间将建立平衡。

2水进出细胞的原理2.1渗透作用介绍

现行教材删去了渗透作用的介绍，新教材又回来了。渗透作用是指水分子通过半透膜的扩散。有些老师对“扩散”一词有误解，甚至认为扩散就是水分子无规则的运动。而实际上扩散是有方向的，因此渗透（作用）也是有方向的：从相对含量高的一侧向相对含量低的一侧，这里渗透的方向是水分子净移动的方向。

将人的红细胞置于生理盐水中，水分进出红细胞达到平衡，此时细胞没有水的净移动，没有发生渗透作用。只有将红细胞置于低渗或高渗溶液中，才会发生渗透作用。

2.2思考与讨论

通过设问引导学生的思维活动，通过和渗透装置类比，明确哺乳动物红细胞的细胞膜相当于一层半透膜，膜两侧存在“浓度”差时就会发生渗透作用。

新教材此处加了一个设问，让学生思考会什么临床输液要用生理盐水，引导学生关注生活实践并用所学知识做出合理的解释。

2.3植物细胞的吸水和失水

植物细胞的吸水和失水，教材选择了成熟植物细胞进行说明。

成熟植物细胞失水时，会发生质壁分离。质壁分离指的哪里和哪里分离，教材写得比较具体：细胞壁和原生质层分离。但是名词委的术语中我们看到质壁分离被定义为：原生质体收缩，部分质膜与细胞壁脱离的现象。

我们可以大致看一下教材这一部分的写法，不管是哺乳动物红细胞还是成熟植物细胞，教材都在引导学生寻找“半透膜”在哪里，然后再分析“半透膜”两侧存在浓度差会怎样。其目的是期望学生在动植物细胞中找到“渗透装置”。正是基于这样的考虑，教材突出强调了原生质层，虽然原生质层不是被普遍接受的术语，但用在此处能言简意赅地说明成熟植物细胞可以构成一个渗透系统，否则每次都是细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质，我们作为读者也会不胜其烦。这里只需要让学生明确发生了质壁分离即可，并不需要强调一定是原生质层和细胞壁分离（为分数计，还是强调一下吧）。

2.4“浓度”——一个艰难的选择

教材介绍成熟植物细胞主要通过渗透作用吸水和失水时，比较了细胞液浓度和外界溶液浓度的大小。

细胞液中溶质是多种多样的，有电解质也有非电解质；实验时外界溶液中的溶质是蔗糖，属于非电解质，这在化学上是没法比较两者浓度大小的。而且作为教师，我们清楚这里实际比较的是渗透压（或渗透势），电解质和非电解质的渗透压（或渗透势）不能一概用物质的量浓度加以衡量，还要考虑电解质和非电解质对水的吸引能力（束缚能力）是有差异的。

考虑到学生的认知水平，教材此处用“浓度”代替渗透压（渗透势）是一个折中的处理。为了弥补这一不严谨表述的缺憾，课后练习题测量细胞液浓度时，问的是“相当于”多大浓度的蔗糖溶液，而不是问细胞液浓度是多少。同样的，在讲哺乳动物红细胞的吸水和失水时，我们最好说成红细胞内的溶液相当于0.9%的氯化钠浓度，而不要说两者浓度相等。

3探究——植物细胞的吸水和失水3.1预备知识

新教材在学生探究实验前先介绍了不少预备知识，有点散。概括起来有两个方面。

一方面介绍了细胞壁的透性和伸缩性。现行教材讲细胞壁是全透性的，溶于水中的物质都能通过细胞壁；新教材修改为水分子对细胞壁是全透性的，不再提溶于水中的物质都能通过细胞壁，这主要是考虑到溶于水的大分子蛋白质很难穿过细胞壁。

另一方面此处点出：教材所述的水进出细胞，主要是指水经过原生质层进出液泡。此处教材故意引导学生把原生质层当作一个整体进行考虑，这样做是为了引导学生寻找成熟植物细胞中的渗透系统。教材的质壁分离图像也曾被怀疑是假的，因为大家看到的质壁分离经常是原生质层很不规整。究其原因主要是大家滴加蔗糖后不久就进行观察，此时还处于水从液泡进入原生质层然后再进入外界环境的过程中，如果大家再等待一会，等到外界的水充分穿过原生质层进入液泡，水分进出细胞达到大致平衡时，就能看到原生质体的整体收缩，此时显微镜下的图像就和教材给出的示意图相似了。

3.2探究的逻辑分析

合理假说的提出要依据一定的已知信息，教材举了一些具体的例子让学生体会植物细胞的吸水和失水，并将其与动物细胞的吸水和失水进行类比。在此基础上我们提出假说：水分通过渗透作用进出植物细胞。验证该假说的关键是在植物细胞中找到渗透装置，或者说要找到“半透膜”？半透膜有两个候选：细胞壁或原生质层。

已知构成原生质层的细胞膜能控制物质进出，因此我们推测原生质层也能控制物质进出，相当于“半透膜”。这样假说就转变为：原生质层相当于一层“半透膜”吗？

在假说的基础的上进行演绎推理，得出当外界溶液浓度高于细胞液浓度时，细胞就会失水；当外界溶液低于细胞液浓度时，细胞就会吸水。外界溶液的溶度可以人为控制，这时最关键的就是寻找一个合适的观察指标，用于确认细胞的失水和吸水。洋葱鳞片叶外表皮的细胞满足上述观察指标的要求，因为它的液泡中含有紫色的色素，失水后色素浓度会增大，紫色加深，范围变小；吸水后色素浓度会降低，紫色变淡，范围变大。

3.3实验方案及实施

作为探究活动，由学生制定实验步骤为宜。教材直接给出了实验步骤，其中滴加蔗糖后再滴加清水的操作，对学生而言比较突兀。为了让滴加蔗糖和滴加清水之间的过渡更自然一些，可以这样做：

一种是把实验步骤处理为先加蔗糖然后再去蔗糖（这里的去蔗糖就是加清水）。此类先加自变量再减掉自变量（有时是先减后加）的实验设计在生物学中还是相对常见的，通过前后对照用以确认质壁分离现象是添加蔗糖溶液引起的，去除蔗糖溶液后，恢复原来的状态，即质壁分离复原。这种处理方式对学生思维的要求略高。

另一种处理方式，先设计实验步骤至添加蔗糖溶液，随后就进行实验观察。实验结果紫色变深且范围变小符合实验预期。同时，学生能观察到质壁分离，直观感受到原生质层的伸缩性。在这个基础上，我们可以引导学生再去思考：向质壁分离的植物细胞滴加清水，结果会如何？这样的过渡更加流畅自然一些。

4自由扩散和协助扩散