“觀察植物細胞的質壁分離及質壁分離復原”教學案例

丁亮

摘 要 對質壁分離及復原實驗進行實驗材料和定量觀察拓展，利用思維導圖輔助實驗設計，通過自主學習、討論互助、實踐操作等方式引導學生建構滲透作用系統知識。

關鍵詞 質壁分離 定量實驗 思維導圖

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

文件編號： 1003 - 7586（2016）11 - 0036 - 03

1 教學設計思路

“觀察洋蔥表皮細胞的質壁分離及復原”是浙科版生物必修1第三章第二節“物質出入細胞的方式”的活動。學生已學習了動植物細胞吸水、失水和質壁分離概念，教材以洋蔥為材料，并給出了具體實驗步驟，容易使該實驗成為驗證性實驗。本教學設計增加黑藻和苔蘚等實驗材料，將其轉化為“觀察植物細胞質壁分離及質壁分離復原”，從比較不同植物質壁分離及其復原的視角引導學生探究，建構滲透作用的知識體系。

《普通高中生物課程標準（實驗）》提出應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。質壁分離實驗的傳統實驗過程大多定位于定性觀察，筆者向學生提供機會學習定量測定，通過實事求是地記錄、整理和分析實驗資料、定量表述實驗結果等，有利于學生拓展生物學思維的深度和廣度，培養學生嚴謹、敢于質疑、堅持不懈的科學精神。

在教學策略上，本探究以建構主義理論為依據，在教學中以二人小組為單位，引導學生積極參與探究，尊重學生的認知規律，為學生主動建構提供學習材料，使學生形成對知識的真正掌握。教學中，教師通過調動學生已有的經驗，通過組內交流和班級各小組匯報結果交流獲得多方面的信息，在此過程中建立知識共同體。

2 實驗教學分析

2.1 教學重點：實驗設計的原則，設計實驗記錄表

重點落實策略：為學生自主建構搭好支架，課前的預習單上為學生設計實驗提供學習材料；讓學生通過填寫“思維導圖”對實驗有整體認識再設計記錄表。思維導圖會將學生的思維形象化地展示給教師，教師可以根據學生暴露的問題組織教學活動，真正做到以學定教。

2.2 教學難點：收集、整理和分析數據

難點突破策略：教師指導學生熟悉數碼實驗室軟件操作，通過說明和展示使其學會用截屏和圖像處理軟件整理好照片做定性分析或定量測量；讓學生使用屏幕錄像功能記錄實驗；操作中及時對有困難的學生進行個別指導；事先制作數據分析表并發給各小組用于數據處理。

3 教學目標

知識目標：列舉實驗設計的基本原則，區別定性觀察和定量觀察；解釋植物質壁分離及質壁分離復原現象。

能力目標：設計實驗記錄表，學會定向觀察的方法；使用數碼顯微鏡收集證據并做分析解釋；撰寫實驗報告，發展交流和評價的能力。

情感、態度與價值觀目標：通過體驗探究，感悟求真的科學態度和創新的科學精神；體驗團隊合作，提高合作意識。

4 教學準備

4.1 材料

紫色洋蔥、黑藻、苔蘚。

4.2 儀器及用具

數碼顯微鏡，刀片，鑷子，滴管，載玻片，蓋玻片，吸水紙，培養皿。

4.3 試劑

物質濃度為0.3 g/mL的無色及紅色蔗糖溶液，清水。

4.4 其他

教師制作“觀察比較不同植物細胞質壁分離與復原預習單”，要求學生設計實驗記錄表，根據學生的預習結果，設計課件、實驗報告模板和數據分析表。

5 教學過程

5.1 課前預習

教師創設情景，提出問題：觀察洋蔥表皮細胞的質壁分離及質壁分離復原有哪些實驗步驟？如何比較不同植物質壁分離與質壁分離復原？教師提供實驗預習單與思維導圖（圖1），學生通過閱讀教材、實驗手冊和材料，了解實驗的原理、步驟，并填寫思維導圖，明確實驗主要知識點和具體操作要點，思考原理與步驟之間的關系，并嘗試設計實驗記錄表。

設計意圖：教師設計預習單和半開放的思維導圖，引導學生有效預習。在思維導圖中將步驟圖片化幫助學生細化實驗步驟，理清知識間聯系并為實驗設計提供原理支架，既保證知識結構完整性，又引發學生主動思考。

對學生思維導圖分析，發現大多數學生對實驗步驟、實驗原理和試劑有較為準確的認識，但對實驗原則表述分歧較大，對具體觀察指標不明確，記錄手段缺乏可操作性。根據這些問題對原先設計的教學過程進行調整，整合學生設計的實驗記錄表格，制作實驗報告模板和實驗數據分析表。

5.2 課堂教學

5.2.1 新課導入和問題回顧

教師提出問題：洋蔥、黑藻、苔蘚細胞是否都能發生質壁分離及復原？教師修正學生回答后引出實驗原理，并提出問題：洋蔥細胞有哪些觀察指標？不同材料如何進行比較？通過交流、討論明確實驗中具體定性和定量觀察指標，學生認同可通過測定原生質體與細胞面積來反映質壁分離程度，并得出黑藻細胞質壁分離觀察可嘗試用0.3g/mL的紅色蔗糖溶液。

5.2.2 實驗記錄表格分析

教師展示學生的設計，應用實驗設計的原理和具體觀察指標對實驗記錄表進行評價。學生通過自評、互評，認同對實驗結果的記錄全班應有統一標準。

設計意圖：針對學生思維導圖的共性問題，采取問題驅動，設置有一定的層次性、相關性的問題提高學生學習的主動性，從而引發討論交流學習相關知識。最后，圍繞實驗記錄表格分析，引導學生深化對實驗原則的理解，提高靈活運用知識的能力。

5.2.3 實踐操作，采集證據

教師統一要求，簡化操作：分組進行實驗操作，實驗材料制片后對初始狀態和溶液替換后1、3、6 min的植物細胞進行定量測量細胞周長或面積。要求學生使用互動數碼顯微鏡軟件進行視頻錄像，屏幕視頻可彌補操作的不熟練，也建立了實驗時間軸，有利于控制好各時間點，收集到的證據也可用于進一步分析。

教師巡視并指導學生實驗過程，關注學生出現的問題，提醒學生注意相互合作。如思維導圖中有學生填寫黑藻質壁分離觀察指標中觀察葉綠體和胞質環流（這是葉綠體觀察實驗中的觀察指標），實驗中教師發現第16組黑藻有明顯的胞質環流，于是建議16組觀察質壁分離前后黑藻胞質環流是否有變化。

5.2.4 實驗結果展示分析

教師提供Excel數據統計表，通過數碼互動系統展示不同組學生收集的證據，并由該小組的學生說明分析，教師引導學生多角度解讀結果。學生分析得出：當外界溶液濃度大于細胞液濃度時，細胞滲透失水質壁分離，反之復原；滲透快慢取決于濃度差；黑藻細胞液濃度<洋蔥細胞；通過黑藻胞質環流減慢推導植物細胞失去水分會影響其代謝。

設計意圖：多角度匯總、分析實驗結果，通過學生交流和教師反饋評價，初步構建質壁分離和滲透作用系統知識。

5.3 課后作業及教學延伸

教師將各小組的原始資料和數據放置在開放平臺共享數據，要求學生進一步分析本小組及其他組的原始資料（圖2），形成電子版的實驗報告后再分享回開放平臺。學生之間、師生之間再次評價、交流實驗，提升學生的認識。

設計意圖：課堂時間有限，不能對所有小組的實驗結果進行交流，學習小組課外共享數據，完成實驗報告。這樣可以讓學生延續探究分析實驗，使學生更全面理解實驗，拓展其思維，培養學生解決問題的能力。

6 反思總結

6.1 教師側務實投入

6.1.1 挖掘學生熟悉的材料

教師選擇黑藻和苔蘚，并在部分蔗糖溶液中增加紅墨水，不僅可以喚醒學生原有記憶，同時又能引出新知識，在熟悉的情景中學生的思維拓展和創新才有可能。

6.1.2 定性觀察與定量觀察相結合

通過學習數碼顯微操作，引導學生拓展觀察指標，借助信息技術軟件進行同步屏幕錄像和測量操作，盡可能保留實驗資料和數據。

6.1.3 為學生自主建構搭好支架

實驗設計需要遵循的原則、實驗中的方法步驟和一些注意事項學生都未曾系統學習。通過課前下發預習單補充資料，教師引導學生填寫思維導圖，幫助學生理清知識間內在聯系，高效建構知識體系。

6.1.4 改變實驗結果呈現方式

教師將各小組的實驗資料和數據放置在開放平臺供學生下載，學生可對本組資料進行分析，也可與其他組的資料進行對比，形成實驗報告后上傳開放平臺再次進行交流。

6.1.5 小組合作學習探究。

本實驗需要學生課前、課中、課后均參與合作探究。課前小組討論填寫思維導圖和設計實驗記錄表；課中對設計實驗記錄表進行評價，開展實驗并初步分析；課后對實驗結果匯總，得出結論。

6.2 學生側創新產出

教師通過挖掘常規實驗、常規材料，利用好學校課程資源，充分了解學生，信任學生，給學生提供學習材料、時間和方法，讓學生在探究實踐中獲得具體的經驗體會。同時學生收獲了創新產出，如學生課后實驗報告中總結得出：“紅墨水可用做溶液是否完成替換的指標”“不同植物細胞液濃度可能與植物生長的環境有關”。有些小組的實驗：有學生根據苔蘚未觀察到液泡，預測質壁分離程度會小很多，然而觀察到6 min時與洋蔥分離程度差不多，推測原生質層也可能失去水；另一組用圖像處理軟件分析圖像測出黑藻細胞及原生質體數據，建立指數擬合模型，通過建模推算出黑藻細胞液初始濃度約為0.08 g/mL。還有小組學習全班結果和結論后，制作了“實驗現象及其結論”思維導圖。這些創新意識和運用科學的方法去分析解決問題的方式，體現出學生的批判性思維和問題解決能力，培養了學生的核心素養。