第1节 物质跨膜运输的实例
教学目标：
1.知识与技能
（1）说出细胞在什么情况下吸水和失水。
（2）举例说明细胞膜是选择透过性膜。
（3）熟练制作临时装片和操作显微镜观察。
2.过程与方法
（1）尝试从生活现象中提出问题，作出假设。
（2）学习进行探究问题的一般方法和步骤。
3.情感态度与价值观
（1）参与课堂讨论与交流。
（2）养成良好的实验习惯，如及时清洗和摆放实验用具，爱护实验室卫生等。
教学重点：
1.如何进行探究实验，其基本方法和一般过程。
2.渗透作用；细胞是一个渗透系统。
3.细胞膜不仅仅是半透膜，还是选择透过性膜。
教学难点：
1.如何发现问题和提出问题。
2.如何设计实验过程（材料、实验用具、试剂的选择，实验结果的预测，操作的细节）。
3.细胞膜不仅仅是半透膜，还是选择透过性膜。
教具准备
1.渗透演示实验。
2.萝卜条吸水和失水的演示实验。
3.渗透原理的多媒体演示课件。
课时安排
2课时
第一课时 探究细胞的吸水与失水
●教学过程
［课前准备］
课前老师准备好萝卜条吸水和失水的演示实验，取三块形状大小相同的萝卜条，一块置于盛有清水的烧杯中，一块置于盛有盐水的烧杯中，一块用培养皿盛放以作对照。此实验一般需要半小时就可以有明显的结果。
［情境创设］
今天我们开始学习第4章《细胞的物质输入和输出》，无论是从个体层次还是细胞层次来看，生命系统并不是一个孤立封闭的系统，它要不断与外界发生物质和能量的交换，包括从外界摄入物质（如我们吸入氧气、吃饭等），同时也包括及时地把代谢产生的废物排出体外（如呼出二氧化碳，排尿，出汗等）。那么这一章我们着重探讨在细胞层次上物质是如何输入和输出的。
首先我们来看这样几个生活中的例子：
（1）你吃比较咸的食物时，例如腌制的咸菜、连续嗑带盐的瓜子等，你的口腔和唇的黏膜会有什么感觉？为什么？
学生：会有干燥难受的感觉，因为口腔和唇的细胞失去水分，即水分的输出。
（2）当你把白菜剁碎准备做馅时，常常要放一些盐，过一段时间后就可见有水分渗出，这些水分是从哪里来的？
学生：菜馅细胞失去的水分，即水分的输出。
（3）蔫了的青菜叶放入清水中浸泡一段时间后，会有什么变化？
学生：菜叶又重新变得硬挺起来了，叶面伸展，即水分的输入。
（4）老师展示课前准备好的萝卜条失水和吸水的实验，介绍实验过程，展示实验结果。问：两个烧杯中的萝卜条为什么会出现明显的不同呢？
学生：清水中的萝卜条吸水，即水分的输入；盐水中的萝卜条失水，即水分的输出。
（5）你还能想到哪些类似的例子呢？
……
［师生互动］
1.提出问题
教师：结合上面这些例子，特别是萝卜条吸水和失水的这个演示实验，如果深入思考的话，你可以提出什么问题？将问题写下来。
学生：①细胞会失水吗？（渗出的水是细胞内的水还是间隙的水）
②细胞在什么情况下会失水，什么情况下会吸水呢？
③水分是如何进出细胞的？
……
教师：大家一起来讨论一下提的问题哪些是有价值的，值得探究的？
学生：②和③两个问题提得好，可以探究。
教师：我们要学会善于从生活中的现象中发现新的问题，提出问题。许多科学家发现也就是在平时看似习以为常的现象或者一些偶然巧合的现象中提出来的，例如牛顿就从苹果掉下来的现象中提出地球引力的问题；细菌学家弗莱明从一个长了青霉的细菌培养皿中提出青霉的分泌物是否具有抑制葡萄球菌生活的作用，从而提取出青霉素的。当然这要求我们要有敏锐的观察能力和敏捷的思维。爱因斯坦曾经说过：“提出一个问题比解决一个问题更重要。”可以说“提出问题的能力”是人们素质的一个重要组成部分,是创造发明的源泉之一。
好，提出了一个有价值的问题以后，我们如何去研究它呢？这节课我主要是告诉大家探究问题的一般方法和步骤。
2.作出假设
当一个问题提出来后，首先我们要对现象进行分析，结合已有的知识（必要时还要查找一些资料）和生活经验，对提出的问题作出一个尝试性的回答。我们叫“作出假设”。
比如我们研究“细胞在什么情况下会失水，什么情况下会吸水呢”，综合分析以上几个例子——嗑瓜子引起口干，菜馅渗出水，还有盐水中的萝卜条失水，它们的共同点是细胞外有一定的盐分，所以可以推理“是不是当细胞外界溶液的浓度过大或者说大于细胞内的浓度时，细胞会失水呢？反之如果细胞外溶液低于细胞内溶液的浓度时细胞则会吸水”，作出了一个假设。
那作出的假设正确与否呢？就需要通过实验来验证，那么接下来我们就要设计一个实验，创造我们假设中所提出的条件，来检测细胞是否发生失水或吸水。
3.设计实验
教师：那这个实验的设计上我们需要考虑哪些细节呢？
首先我们要考虑“选择怎样的细胞材料来进行实验”，脱开书本，假如你是第一次碰到这样的问题，你会考虑选择怎样的材料呢？
学生：树叶；菜叶；血细胞；花瓣。
……
教师：大家可以打开思维来想，刚才你们提的材料很好，都可以用来尝试，或许这些材料都能成功，但也可能一些材料不能助你成功。同时你们也想一想这个实验要用到哪些工具，你如何判断细胞失水了还是没有失水？
学生：用显微镜观察。
教师：很好，当你选用了显微镜以后，你的选材就应注意要尽可能选容易做成装片的，在显微镜下容易观察到的（如细胞比较大，或细胞有颜色等，如果没有颜色，能不能染色？染色要注意什么）。比如洋葱表皮细胞有紫色，也很好撕取做成装片，就可以考虑，那大家还能不能想到其他什么好材料呢？
学生：水绵，水绵是绿色的，水绵是单层细胞。
那葫芦藓也可以，它的叶是一层细胞的。
美人蕉的花瓣表皮细胞中液泡颜色呈现鲜红色。
紫鸭跖草表皮容易撕取，紫色液泡大而明显，很容易找到。
……
教师：大家的思路开始打开了，想得很好，那究竟这些材料好不好，大家也可以做为一个课题来研究，多选几种材料都试试，进行比较。
好，那接下来我们还要考虑选用怎样的试剂好呢？
学生：盐水
教师：还有没有其他的呢？
学生：糖水；
醋酸；
海水。
……
教师：想得很好，这里我们同样也考虑这些问题，我们选的试剂会不会对细胞有伤害？能否保证细胞是活的？如醋酸就可能对细胞产生伤害；试剂的浓度我们最好是能控制的，海水的浓度我们不好控制。还有试剂要是容易获得的。所以这里大家提的盐水和糖水是比较好的。
材料、用具、试剂都选好了，接下来我们要考虑整个实验具体的操作步骤该如何。是先把洋葱泡在盐水中，10分钟后取出做成装片，显微镜下检测；还是先做好装片，再想办法往里加入试剂呢？
学生：先做装片再加试剂好，这样可以在显微镜下监控细胞失水的变化过程。
教师：很好，现在我们还有一个重要的问题，那就是要预期一下实验结果，加了高浓度糖水
后细胞会发生怎样的变化呢？
学生：细胞会缩小。
图4－1－1
1.正常细胞 2、3.发生了质壁分离的细胞
教师：对，细胞液中的水分流失，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（包括细胞膜、液泡膜和这两层膜之间的细胞质。注意：原生质层和原生质两个概念是不同的，原生质则指细胞内的生命物质，整个动物细胞都是一团原生质，而植物细胞除细胞壁外的其他所有物质是一团原生质）比细胞壁的伸缩性大，当细胞不断失水时，原生质就会与细胞壁分离开来，也就发生质壁分离。所以观察到质壁分离可以作为细胞失水的表现。
预测了实验结果后，我们可以设计一个表格来记录实验结果。这个实验中的表格就比较简单了。
中央液泡的大小
原生质层的位置
细胞大小
0.3 g/mL蔗糖溶液
清水
4.开展实验
好，当所有这些实验的细节都考虑清楚了以后，我们就可以开始实验了，下节课我们就到实验室完成这个探究实验。
5.记录结果
6.分析结果，得出结论
做完实验后，我们要对实验结果进行分析，实验结果是否与预期相吻合？是否支持了我们最初的假设？
当实验结果与预期不符时，我们要多思考，也不要急于认定假设不成立，要考虑会不会是因为实验操作的不正确导致不能达到预期结果的？会不会有什么干扰因素呢？
例如这个实验中，如果开始使用了0.8 g/mL的蔗糖溶液，很快就观察到了质壁分离，但后来加清水怎么也不能使细胞发生质壁分离复原，能否断定当外界浓度低的时候细胞不能吸水呢？
学生：不能。
教师：那为什么会出现与预期不符的结果呢？就要多思考了，有没有谁能想到呢？
学生：会不会因为蔗糖浓度过高了，导致细胞失水过快而死亡了。
教师：很好，回答得很正确。所以无论实验成功也好，失败也好，都要认真分析。
如果确实找不到实验设计上的原因也找不到实验操作上的原因，始终也未能得到预期的结果，这就要认定假设是错的了。这时又要重新回头做新的假设，然后设计别的实验了。失败不要紧，很多伟大的发现都不可能一次就成功的，都是要经过多次，有的甚至千百次的失败后才成功的。失败是成功之母嘛。
［教师精讲］
进行科学探究的方式是多种多样的。一般来说，其基本过程具有六个要素：提出科学问题；进行猜想和假设；制定计划，设计实验；观察与实验，获取事实与证据；检验与评价；表达与交流。某些探究过程只包含其中的几个要素，而且也不一定按上面呈现的顺序进行。我们进行科学探究主要是领悟科学探究的思想，培养自己进行科学探究所需要的能力，增进对科学探究方法与过程的理解。科学探究能力是通过完成部分探究活动和完整的探究活动而形成和发展的。
板书设计
第4章 细胞的物质输入和输出
第1节 物质跨膜运输的实例
第一课时 探究细胞的吸水与失水
第二课时 水分及其他物质的跨膜运输
●教学过程
［课前准备］
老师准备——渗透作用的演示实验：剪取一块平整、无裂痕的羊皮纸（或赛璐珞膜，俗称透明纸或玻璃纸，也可以选用动物的膀胱膜、肠衣，蛋壳内膜等材料）作为半透膜，包在长颈漏斗的口上，用橡皮筋扎紧，然后在漏斗颈上套一段乳胶管（约3～4 cm长），将漏斗口朝下平放在桌面上，用吸管吸取加有红墨水的蔗糖溶液，注满漏斗。取一支0.5 mL的移液管，插在乳胶管的另一端并且与漏斗颈相接。将乳胶管的两端用线扎紧。安装完毕，将漏斗移入盛有清水的烧杯中，并且用铁架台固定如图4－1－2所示：
图4－1－2
实验开始时，选一块色彩鲜艳的纸条贴在移液管上，标明这时的液面位置。几分钟以后，便能够看到明显的实验效果。注意，移液管不能太细，否则液面上升太快。
学生准备——预习实验并写下详细实验方案，复习显微镜的使用方法。
［情境创设］
在上一节课中，我们学习了进行探究实验的一般方法和基本步骤，并且一起分析了“细胞在什么情况下会失水，什么情况下会吸水”的实验设计，那今天我们就来动手做这个探究实验，看我们的假设是否正确。
［师生互动］
1.学生实验，教师指导
大家课前已经做好了预习，实验器材已经发放到大家的桌面上了，下面可以开始动手实验了。注意以下几点：
（1）加蔗糖溶液时不要污染了显微镜。
（2）如果你从盖玻片左侧加蔗糖溶液，接下来加清水时应从右侧加入。
（3）如实记录实验结果，并完成实验评价表（见评价方案）。
（4）实验时间为25分钟，实验结束后要清洗和整理好实验用具。
学生进行实验，老师旁边指导，将实验效果特别好的装片拿到教师显微镜下并通过显微投影投放到大屏幕上展示出来。
2.分析实验结果，得出结论
下面我们看一组同学的实验结果记录，它能否证明我们最初的假设是正确的呢？
中央液泡的大小
原生质层的位置
细胞大小
0.3 g/mL蔗糖溶液
变小
脱离细胞壁
基本不变
清水
逐渐恢复原来的大小
逐渐恢复原来的位置
基本不变[
学生：可以，很明显细胞在0.3 g/mL蔗糖溶液下因失水发生了质壁分离，而在清水中因吸水发生了质壁分离的复原。
教师：大家想想，假如没有细胞壁，实验结果会有什么不同，你会联系到之前我们讲的一个什么实验？
学生：细胞会发生破裂，就像之前学的用哺乳动物的红细胞制备细胞膜的实验，红细胞因没有细胞壁，吸水以后会发生破裂。
教师：很好，其实动物细胞也会发生失水和吸水。下面我们看看水分进出哺乳动物红细胞的图片：
图4－1－3 外界浓度与 图4－1－4 外界浓度小 图4－1－5 外界浓度
细胞质浓度相同， 于细胞质浓度， 大于细胞质浓度，
细胞形态正常 细胞吸水膨胀 细胞失水皱缩
那为什么细胞在高浓度的溶液中就会失水呢？原理是什么呢？我们接下来看下面的演示实验。
3.渗透作用
演示“渗透作用实验”——介绍实验装置，指导观察实验结果：
在这个装置中（图见［课前准备］），①倒置漏斗内的是蔗糖溶液（为了便于观察，可加入少量红墨水），烧杯中的是清水。②漏斗口上扎的是玻璃纸（或肠系膜，或蛋壳膜，或鱼鳔），它的特点是一些小分子如水分子可以自由通过，而大分子如蔗糖分子则不能通过，我们把它叫半透膜。③实验之初，漏斗内液面位置我们用一个标志环标示出来了。
图4－1－6
大家看现在液面发生了什么变化？为什么会发生这种变化呢？
通过多媒体动画演示突破难点：
①蔗糖分子不能自由通过半透膜而水分子可以。②两侧的水分子都在运动。③由于下侧（烧杯内）的水分子数量多（相对浓度大），所以由下侧进入上侧（漏斗内）的水分子比由上侧进入下侧的水分子多。④整体表现为水分子由烧杯通过半透膜进入了漏斗。
这种水分子透过半透膜的运动叫渗透作用。这个装置叫渗透装置。
大家总结一下，渗透作用的发生必需的条件有哪些？
引导学生回答：①要有半透膜；②半透膜两侧的溶液浓度不同。
那漏斗内的液面会一直升高吗？
学生：不会，当两侧水分子的数量同时达到一种动态的平衡时，漏斗内液面不再上升。
教师：我们再回到细胞的失水与吸水，那一个细胞相当于一个渗透系统吗？它具备渗透作用的发生必需的条件吗？（展示植物细胞结构图P61图4－2）
从图中可以看出原生质层相当于半透膜，一些分子可以自由通过，一些分子不能自由通过，但由于原生质是具有生命活性的物质，它又与物理意义的半透膜（如玻璃纸也是半透膜）是有区别的。下面我们看看物质跨膜运输的其他实例。
4.半透膜与选择透过性膜
学生阅读课本P63的“资料分析”，并进行讨论：
（1）水稻培养液里的Ca2+和Mg2+浓度为什么会增高？说明什么？
学生：水稻吸收水分和其他离子多，而吸收Ca2+和Mg2+较少。
（2）不同作物对无机盐的吸收有差异吗？
学生：有明显差异，水稻吸收大量的Si4+而番茄几乎不吸收。番茄吸收Ca2+和Mg2+较多。
（3）水分子跨膜运输是顺相对含量梯度的，其他物质也是这样的吗？
学生：不是的，比如水稻吸收Si4+，这是根据生物生命活动的需要。
（4）细胞对物质的吸收有选择吗？如果有，这种选择有普遍性吗？
学生：是有选择性的，因为不同生物吸收的离子的量是各不相同的；这种选择也是有普遍性的，如不同微生物对不同矿物的吸收表现出较大的差异。
教师：所以，细胞膜并不是单纯物理意义的半透膜，它是有生理活性的，能对一些物质进行选择性通过，这叫选择透过性膜。
［教师精讲］
典型的渗透装置必须具备两个条件：一是具有半透膜；二是半透膜两侧的溶液具有浓度差。细胞主要通过渗透作用从外界吸收水分，当水分进入细胞时，人必须通过细胞壁和原生质层，细胞壁是全透性的，原生质层由于细胞膜和液泡膜是选择透过性膜，因此可以看作一层选择透过性膜。这里，往往造成概念错误，把选择透过性膜当作半透膜。事实上，两者之间是有区别的。
渗透作用原先是一种物理和化学现象。化学中的半透膜是指只允许某种混合物中的一些物质透过，而不容许另外一些物质透过的薄膜，如膀胱膜、动植物细胞的细胞膜；物理中的半透膜是指只允许某种混合物（溶液、混合气体）中的一些物质透过，而不允许另一些物质透过的薄膜，例如动物的膀胱、动植物细胞膜；生物上的半透膜是指只让溶剂分子透过而不让溶质分子透过的薄膜，如膀胱膜等。从上述概念中可以看出，半透膜是指只允许某些分子（或离子）透过而不让别的分子（或离子）透过的膜。植物生理学中通过杜南氏平衡不消耗能量使某种离子在细胞内累积的现象是用半透膜理论来解释的。由于植物细胞的质膜是一个半透膜，细胞内含有一些大分子带电化合物（如蛋白质），这些蛋白质带负电而又不能向细胞外扩散，但它可与一些阳离子形成盐（如K+），当把这种细胞放于KCl溶液中，如果细胞内没有Cl－，则Cl－进入细胞内，同时K+也跟着进入细胞内以保持细胞内外一定的电位差，最后达平衡时细胞内的K+远远高于细胞外。细胞膜选择透性是由于膜上具有一些吸收与运输物质的载体。一般认为这种载体是蛋白质大分子，它有专门运送物质的功能。因不同植物细胞膜含有不同类型的载体，同一细胞膜上对不同物质的载体性质不同，数量也不同，甚至对同一种盐类的阳离子与阴离子的透过酶也不同，因而表现了细胞膜的高度选择性。细胞通过选择透性膜吸收物质时需要消耗能量，故称为主动吸收。细胞死亡时膜便失去选择透过性，成为全透性。由此可见半透性膜与选择透性膜是两个明显不同的概念。
［课堂小结］
本节课我们通过实验探究了植物细胞在什么情况下失水和吸水，并且学习了其失水和吸水的原理是渗透作用。细胞膜是一种半透膜，一些小分子可以自由通过，一些分子则不能自由通过，但细胞膜又不是纯物理意义上的半透膜，它是有生理活性的，能对一些离子和小分子进行选择性通过。所以细胞膜更是一种选择透过性膜。
那为什么会有选择性呢？细胞膜是靠什么机制来对不同的物质进行选择的呢？这就跟细胞膜的结构有密切的关系，下节课我们再来学习细胞膜的结构特点。
［布置作业］
课后探讨课本P64“与社会的联系”中的问题。
［课后拓展］
质壁分离法测定细胞的渗透势实验
实验原理[
将植物组织置于对其无毒害的一系列不同浓度的溶液里处理一定时间，然后镜检发生质壁分离的细胞数，通常把视野中有50％的细胞发生质壁分离时定为初始质壁分离，细胞初始质壁分离时压力势为零，因而可把引起细胞初始质壁分离的外界溶液称之为等渗溶液，其溶液具有的渗透势即为细胞的渗透势。由于很难正好找到引起50％细胞发生质壁分离的浓度。因此通常用插值法求得等渗溶液浓度，代入公式即可计算渗透势。
器材与试剂
器材：显微镜，载玻片，盖玻片，镊子，刀片，培养皿（或具塞试管），记号笔，滴管。
试剂：蔗糖。
方法与步骤
（1）配制质量浓度为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mol/L蔗糖溶液，放于6个试剂瓶中，必要时配制溶液浓度可相差≤0.05 mol。
（2）取6套干净清洁的小培养皿，用记号笔编号，将配制好的不同浓度的蔗糖溶液按顺序倒入各个培养皿中使之成一薄层，盖好培养皿盖。
（3）将带有色素的植物组织或叶片（可选用有色素的洋葱鳞片的外表皮，紫鸭跖草，蚕豆，小麦，玉米等叶的表皮）撕取表皮分别迅速投入各种浓度的蔗糖溶液中，每个培养皿中放3块左右材料，使其完全浸没，浸泡20～40分钟。
（4）到时间后，取出表皮，放在载玻片上，滴一滴相同浓度的蔗糖，盖上盖玻片，在显微镜下观察质壁分离的细胞数和细胞总数，找出引起50％细胞发生质壁分离的外界溶液浓度，即为细胞渗透浓度值。
●板书设计
第二课时 水分及其他物质的跨膜运输
一、渗透作用：水分子是顺着水分子的相对含量的梯度跨膜运输的
两个条件：1.要有半透膜 2.半透膜两侧的溶液浓度不同
二、离子的跨膜运输并不是顺着离子相对含量的梯度来进行的
细胞膜是一种选择透过性膜
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