《教學(xué)設(shè)計(jì)與案例》doc版

1、<p><b>　　三、教學(xué)設(shè)計(jì)與案例</b></p><p><b>　　薛窯中學(xué) 楊勇</b></p><p>　　《探究細(xì)胞表面積與體積關(guān)系的模擬實(shí)驗(yàn)》</p><p>　　[模擬實(shí)驗(yàn)的地位、價(jià)值]</p><p>　　生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常常有些實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一些模擬，這不僅可以激發(fā)學(xué)生探索生物奧秘的濃厚興趣，加深對(duì)有關(guān)知識(shí)的理解，還可以開拓學(xué)生的視野，讓學(xué)生掌握一種研究生物學(xué)的新方法，嘗試用這一方法來解決一些生物學(xué)問題。</p><p>　　其實(shí)模擬對(duì)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(duì)相對(duì)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(qiáng)調(diào)了它的存在

3、價(jià)值。當(dāng)然，模擬畢竟是模擬，與真實(shí)情況有差異，不應(yīng)對(duì)其吹毛求疵。</p><p><b>　　[課題分析]</b></p><p><b>　　1．教學(xué)目標(biāo)</b></p><p>　　(1)描述細(xì)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(xì)胞代謝效率較

4、高。</p><p>　　(3)通過模擬實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)細(xì)胞必須要保持一定的體積，并認(rèn)同細(xì)胞生長到一定大小后停止生長，細(xì)胞進(jìn)入分裂增殖。</p><p><b>　　2．背景描述</b></p><p>　　細(xì)胞生命活動(dòng)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(xì)胞表面的細(xì)胞膜來進(jìn)行。隨著細(xì)胞的長大，細(xì)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(xì)胞是一個(gè)半徑為1 btm的球形，則這個(gè)球形細(xì)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(xì)胞長大至為原半徑4倍的球狀，這時(shí)細(xì)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(xì)胞內(nèi)含物所分?jǐn)偟降谋砻娣e縮小

6、了許多。其結(jié)果會(huì)是表面積不足以供物質(zhì)的進(jìn)出，成為細(xì)胞代謝的限制因素，細(xì)胞代謝速率將因此而明顯下降。作為解決的辦法，細(xì)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(gè)球體積為134μm3的球，每個(gè)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?jǐn)偟降谋砻娣e增大，細(xì)胞的代謝速率必將大增。</p><p>　　由此可見，細(xì)胞生長到一定程度，將停止生長，轉(zhuǎn)而進(jìn)行細(xì)胞的分裂。一方面

7、解決細(xì)胞生長帶來表面積與體積之比值下降帶來的困境，又是細(xì)胞繁衍的方式。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)原理是用瓊脂塊(內(nèi)含酚酞試液)模擬細(xì)胞，用NaOH溶液模擬被細(xì)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(xì)胞”變成粉紅色的過程，了解到NaOH分子擴(kuò)散進(jìn)入了“細(xì)胞”。再通過測(cè)量NaOH擴(kuò)散進(jìn)入瓊脂塊“細(xì)胞”的深度，比較不同體積的瓊脂塊“細(xì)胞”吸收分子的速度。從而來預(yù)測(cè)表面積與體積比值與細(xì)

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(hù)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(xué)建議]</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)用細(xì)胞模型說明細(xì)胞的表面積與其體積的關(guān)系。學(xué)生觀察的是NaOH溶液擴(kuò)散進(jìn)入瓊脂塊“細(xì)胞”，并將此“細(xì)胞”變成粉紅色的過程。每組兩位學(xué)生最好。</p><p>　　教學(xué)前應(yīng)讓學(xué)生明確細(xì)胞模型模擬的原理，即瓊脂塊模擬“細(xì)胞”，NaOH溶液模擬的是擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞的物質(zhì)。探究的是細(xì)胞表面積與體積的關(guān)系。同時(shí)學(xué)生還應(yīng)明確酚

10、酞試液是堿性溶液的指示劑，兩者反應(yīng)呈粉紅色。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)時(shí)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?yàn)榧?xì)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(jì)算，但具體實(shí)驗(yàn)操作就不要求了。</p><p>　　為了保證實(shí)驗(yàn)

11、的嚴(yán)謹(jǐn)性，在放有瓊脂塊的三個(gè)燒杯內(nèi)同時(shí)加入等量的NaOH溶液，在相同的“擴(kuò)散”時(shí)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(jì)算可同時(shí)進(jìn)行。</p><p>　　NaOH屬于強(qiáng)堿溶液，有一定的刺激性和腐蝕性，應(yīng)避免與皮膚和眼睛接觸，不能人口。學(xué)生應(yīng)戴上防護(hù)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(shí)驗(yàn)中務(wù)必要注意提醒學(xué)生。如萬一潑灑出來，立即用水沖洗潑灑處15 min。</p>

12、<p>　　本實(shí)驗(yàn)最后要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同細(xì)胞表面積和體積比不能過小，否則會(huì)因表面積的限制導(dǎo)致細(xì)胞代謝速率下降，這對(duì)細(xì)胞的生存是不利的。所以當(dāng)細(xì)胞長到一定大時(shí)，便不再長大，進(jìn)而一分為二，為細(xì)胞快速代謝創(chuàng)造條件。因此本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是對(duì)不同表面積和體積比的細(xì)胞模型進(jìn)行預(yù)測(cè)和假設(shè)，這也是科學(xué)研究中關(guān)鍵性的技巧。實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)的突破點(diǎn)放在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和歸納上。</p><p><b>　　[探究活動(dòng)]<

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(shí)翻動(dòng)瓊脂塊10min。</p><p>　　步驟三：畫出如下表，進(jìn)行必要的計(jì)算，將表面積、體積和比值三欄填滿。并請(qǐng)簡化數(shù)據(jù)，避免小數(shù)點(diǎn)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(cè)量每一塊上NaOH擴(kuò)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(jì)算及瓊脂塊變色深度的測(cè)量，你能預(yù)測(cè)到什么?</p><p>　　提示：當(dāng)NaOH與瓊脂相遇時(shí)，其中的酚酞變成粉紅色，因此，從顏色的變化就知道NaOH擴(kuò)散得有多遠(yuǎn)。在一定時(shí)間內(nèi)，NaOH在瓊脂塊的每一側(cè)擴(kuò)散的距離大致相同。說明NaOH在瓊脂塊內(nèi)擴(kuò)散的速率大致相等。</p><p>　　瓊脂塊從最大到最小的順序?yàn)椋? 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(xì)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(duì)細(xì)胞代謝是不利的。因?yàn)榧?xì)胞生命活動(dòng)與外界環(huán)境的物質(zhì)交換如吸收、排泄、分泌及擴(kuò)散等，都是通過細(xì)胞表面的細(xì)胞膜進(jìn)行的。我們可以預(yù)測(cè)細(xì)胞表面積與體積之比增大會(huì)使細(xì)胞代謝效率提高。細(xì)胞體積一味增大對(duì)細(xì)胞生存不利。<

17、/p><p>　　(1)大多數(shù)細(xì)胞和微生物邊長不到0.01 cm。擴(kuò)散速率與細(xì)胞大小之間的關(guān)系是什么？</p><p>　　提示：擴(kuò)散速率不變，但由于細(xì)胞很小，擴(kuò)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(kuò)散的速率大致相等?</p><p>　　提示：在一定時(shí)間內(nèi)，NaOH在瓊脂塊的每側(cè)擴(kuò)散的距離大致相當(dāng)，說明

18、擴(kuò)散速率大致相等。小的瓊脂塊變成粉紅色較快，不是因?yàn)閿U(kuò)散速率大，而是瓊脂塊體積小。</p><p>　　2．大多數(shù)高等動(dòng)植物細(xì)胞的體積一般在20~30μm3之間，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)細(xì)胞模型的探究，你能分析細(xì)胞為什么如此微小?</p><p>　　簡析：細(xì)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(fù)制品。</p><p>　　細(xì)

19、胞通過細(xì)胞表面的細(xì)胞膜與外界進(jìn)行物質(zhì)交換。隨著細(xì)胞體積的變大，更多的細(xì)胞質(zhì)就會(huì)遠(yuǎn)離細(xì)胞膜。分子進(jìn)入細(xì)胞后，通過細(xì)胞質(zhì)的不斷流動(dòng)被帶到目的地，這與海洋里的水流對(duì)船的作用機(jī)制是一致的。但如果細(xì)胞很大，為了把物質(zhì)帶到細(xì)胞的各個(gè)部位，細(xì)胞質(zhì)需要流動(dòng)的距離遠(yuǎn)了，物質(zhì)達(dá)到細(xì)胞中心的時(shí)間就相應(yīng)變長。同時(shí)，排出廢物需要的時(shí)間也相應(yīng)增加．細(xì)胞長得太大將不利于其更好地生存。所以當(dāng)細(xì)胞長到一定大小時(shí)，就會(huì)分裂成兩個(gè)新的細(xì)胞。生物體的大小主要決定于細(xì)胞的數(shù)量，

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

21、物體的擴(kuò)散作用與主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)之間保持有效的平衡。</p><p>　　(2)依據(jù)本實(shí)驗(yàn)，你認(rèn)為細(xì)胞生長到一定程度時(shí)，為保證細(xì)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(xiàng)B與D都不能維持細(xì)胞的代謝活動(dòng)。而選項(xiàng)A中細(xì)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(xiàng)C分裂。細(xì)胞一分為二，使細(xì)胞表面積和體積比值增加。</p><p>　　(3)卵細(xì)胞的體積一般比較大，如鴕鳥卵黃直徑可達(dá)5 cm。這是否違背了“細(xì)胞體積的守恒定律”?</p><p>　　提示：卵細(xì)胞是一種特殊類型的細(xì)胞，因?yàn)樗性S多供胚胎發(fā)育使用的營養(yǎng)物質(zhì)——卵黃，而使細(xì)胞的體積增大了許多倍。但卵細(xì)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(xì)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(lán)溶液并晾干。用滴管從酵母菌培養(yǎng)液中吸一些酵母菌細(xì)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(xì)觀察視野中的細(xì)胞，然后換用高倍鏡。尋找到

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

25、限度的，能控制細(xì)胞質(zhì)的活動(dòng)也是有限度的，因此一個(gè)核能控制細(xì)胞質(zhì)的量也有一定限度，細(xì)胞質(zhì)的體積不能無限增大。在體積較大的原生動(dòng)物細(xì)胞中出現(xiàn)大核(營養(yǎng)核)與小核(生殖核)的分工，動(dòng)物細(xì)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(shí)驗(yàn)可采用觀察人工培養(yǎng)的變形蟲在分裂時(shí)的變化情況進(jìn)行分析．當(dāng)人工培養(yǎng)的變形蟲快要分裂時(shí)，把它的細(xì)胞質(zhì)切去一塊，這個(gè)變形蟲就不再分裂。等它長大到又要分裂時(shí)，又切去一塊，它也不再分裂。但如果讓其繼續(xù)生長，體積達(dá)到一

26、定大小時(shí)，它又會(huì)分裂起來。說明在沒有任何環(huán)境阻力的情況下，細(xì)胞不會(huì)無限長大。細(xì)胞要維持細(xì)胞核與細(xì)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(xì)胞的體積差別很大（韓貽仁 分子細(xì)胞生物學(xué) 北京：科學(xué)出版社，2001）</p><p>　　大的如鴕鳥卵黃直徑可達(dá)5 cm。最小的支

27、原體只有o．1"m。一般說來，真核細(xì)胞的體積要大于原核細(xì)胞，高等動(dòng)物的卵細(xì)胞大于體細(xì)胞。但卵細(xì)胞是一種特殊類型的細(xì)胞，因?yàn)樗性S多供胚胎發(fā)育使用的營養(yǎng)物質(zhì)——卵黃，而使細(xì)胞的體積增大了許多倍。對(duì)大多數(shù)高等動(dòng)物、植物的細(xì)胞來說，其體積一般在20一30 μm3之間。多細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞的大小同生物體的大小無關(guān)。細(xì)胞體積的最小極限決定于細(xì)胞獨(dú)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(xì)胞要

28、進(jìn)行生命活動(dòng)，體積也不能過大，在真核細(xì)胞中，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)的比例有一定的關(guān)系；細(xì)胞的體積要適于同外界進(jìn)行物質(zhì)交換，這些因素都決定了細(xì)胞要保持一定的體積大小。下表列出幾種細(xì)胞的大小。</p><p>　　2．細(xì)胞的大小及其分析（翟中和 細(xì)胞生物學(xué) 北京：高等教育出版社，1995）</p><p>　　分析高等動(dòng)植物細(xì)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(xì)胞

29、的大小更是在一個(gè)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(yīng)器官與組織的細(xì)胞大小卻無明顯差異，不僅相應(yīng)的體細(xì)胞大小相似，性細(xì)胞的大小也無明顯的差異。因此，器官的大小主要決定于細(xì)胞的數(shù)量，與細(xì)胞的數(shù)量成正比，而與細(xì)胞的大小無關(guān)，這種關(guān)系有人稱之為“細(xì)胞體積守恒定律”。我們認(rèn)為細(xì)胞體積的守恒定律可以與細(xì)胞是生命活動(dòng)基本單位的概念聯(lián)系起來理解。</p><p>　　細(xì)胞最大體積的極限與什么因素有關(guān)

30、?我們認(rèn)為有三個(gè)方面：第一，細(xì)胞的相對(duì)表面積與體積的關(guān)系。細(xì)胞的體積與相對(duì)表面積成反比關(guān)系：細(xì)胞體積越大，其相對(duì)表面積就越小，細(xì)胞與周圍環(huán)境交換物質(zhì)的能力就越小。有些細(xì)胞為了增加表面積，就形成很多的突起。第二，細(xì)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(xì)胞體積大小相差多大，但各種細(xì)胞核的大小懸殊不大。第三，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的交流與細(xì)胞體積的關(guān)系。細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)從一端向另一端運(yùn)輸或擴(kuò)散是有時(shí)間與空間關(guān)系的，假如細(xì)胞的體積很大，勢(shì)必

31、影響物質(zhì)傳遞與交流的速度，細(xì)胞內(nèi)部的生命活動(dòng)就不能靈敏地調(diào)控與緩沖。有一些原生動(dòng)物細(xì)胞的伸縮泡可能起著細(xì)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(xì)胞作為生命活動(dòng)的基本單位，其體積必然要適應(yīng)其代謝活動(dòng)的要求，應(yīng)有一定的限度，因此數(shù)百微米直徑的細(xì)胞應(yīng)被認(rèn)為是上限了。卵細(xì)胞之所以不受此限制，因?yàn)樵缙谂咛グl(fā)育是受儲(chǔ)存在卵細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的mRNA與功能蛋白質(zhì)調(diào)控的，并利用預(yù)先儲(chǔ)存在卵細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的養(yǎng)料，因此

32、在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)儲(chǔ)存了大量mRNA、蛋白質(zhì)與養(yǎng)料，同時(shí)卵細(xì)胞與周圍環(huán)境交換物質(zhì)很少，卵細(xì)胞的體積大主要因胞質(zhì)擴(kuò)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(xué)探索者——從細(xì)菌到植物 廖蘇梅，蔣婷譯 杭州：浙江教育出版社，2001）</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中得到的觀察和測(cè)量結(jié)果稱為數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，看看是否存在什么規(guī)律或趨勢(shì)。如果能把數(shù)據(jù)整