“探究植物細胞的吸水和失水”實驗教學的創新、不足與展望

陳亮+郭巖麗

1 教學內容

本節實驗課的教學策略為微課程-翻轉課堂教學法，根據教學內容將本課課題確定為“植物細胞吸水和失水的再探究”（表1）。

2 微課的使用

高中生物概念教學具有較高的比重，很多概念比較抽象，學習難度較大，學生經常提出一些重復性的問題，教師答疑量負擔很重。由于筆者對制作微課具有濃厚的興趣，所以平時錄制的微視頻上傳至個人微信公眾號“探尋生命奧秘”中，供學生課后自學和觀看，既降低了教師答疑量，又便于學生反復學習，一舉兩得。本節實驗課涉及的概念難度小、易理解，適合自學。筆者課前制作了四段微視頻，并且以Flash動畫作為素材錄制了旁白，便于學生更好地理解教學內容。

3 本課若干重要問題的思考

3.1 植物材料的選擇

學生最初選擇了人口腔上皮細胞、菠菜葉肉細胞以及紫色洋蔥內、外表皮細胞四種實驗材料，因為它們都曾出現在教材的其他實驗中。教師則考慮到本實驗所在的節標題為“物質跨膜運輸的實例”，教學內容理應包含動物細胞的吸水和失水。但在實驗中，學生普遍發現，口腔上皮細胞由于沒有顏色，觀察難度很大，且教材中已舉例說明動物細胞可以吸水漲破和失水皺縮；菠菜葉肉細胞很不規則，制片時也往往只看到表皮細胞，探究價值微乎其微。經過與其他教師的討論，棄用了這兩種材料，以玫瑰花瓣和黑藻代替，玫瑰花瓣的紅色為細胞液中的花青素，黑藻葉片很薄，制片容易，且可以葉綠體作為參照物觀察，兩種材料都具有較高的研究價值。

3.2 蔗糖濃度的選擇

學生曾嘗試配制物質量濃度高于0.7 g/mL濃度的蔗糖溶液，但高濃度的蔗糖溶解速度很慢，滴加時也很黏稠，操作不便。此外，雖有資料顯示物質量濃度0.5 g/mL蔗糖溶液已足以使細胞失水死亡，但仍有學生提出想比較0.5 g/mL與0.7 g/mL的蔗糖溶液的失水速度，因此保留了0.7 g/mL的蔗糖溶液。還有學生認為應該配制物質量濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/mL的蔗糖溶液。但由于系列濃度比較接近，且總跨度較小，最后選取了0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/mL這五種濃度。

3.3 葡萄糖和硝酸鉀溶液濃度的確定

學生最初選擇了物質量濃度均為0.3 g/mL的葡萄糖和硝酸鉀溶液，實驗過程中發現細胞迅速失水，甚至滴加清水都難以復原，得出結論為0.3 g/mL的葡萄糖溶液和硝酸鉀溶液物質的量濃度過大，失去參考價值。教師和學生參考有關資料，并討論，將葡萄糖溶液濃度改進為0.16 g/mL和硝酸鉀溶液濃度為0.090 g/ml，但又有學生考慮到硝酸鉀在溶液中會發生完全電離使物質的量濃度加倍，最后確定硝酸鉀溶液濃度為0.045 g/mL，這樣兩種溶液都具備了與0.3 g/mL蔗糖溶液的比較價值。

3.4 硝酸鉀能使植物細胞質壁分離完全復原

在實驗室的室溫下，硝酸鉀溶液滴在裝片上10～15 min后會明顯析出結晶，為避免這一現象對實驗結果的干擾，教師制作多張臨時裝片，并向蓋玻片周圍滴加了石蠟油以隔絕空氣，避免硝酸鉀溶液溶解度發生變化，從觀察到明顯質壁分離開始計時，17 min時已經可以觀察到質壁分離出現自動復原，45 min及以后的時間內細胞已不再明顯吸水，雖并未恢復至質壁分離前狀態，但證明細胞在硝酸鉀溶液中可以發生質壁分離自動復原。

3.5 葡萄糖溶液中能否發生自動復原的探究

筆者按3.4中相同方法制作多張裝片，連續觀察3 h，未曾看到有自動復原的趨勢；也曾做過放置10 h后再觀察的實驗，但細胞液中的紫色已經消失，說明長時間失水已經使細胞死亡，色素擴散至細胞外。無獨有偶，天津七中的翟春利老師使用物質量濃度為0.2 g/mL的葡萄糖溶液也未能觀察到質壁分離的自動復原。在查閱文獻過程中，筆者發現北京四中的畢詩秀老師曾在“蔗糖能進入植物細胞的論證”一文中提到細胞在0.15 g/mL葡萄糖溶液中發生質壁分離后，繼續觀察5 min即可發生自動復原。筆者認為，影響質壁分離及復原的因素還應該有實驗材料的生長地、存放時間、自身的生長狀態，此外實驗者對質壁分離及復原現象的判斷也存在一定的主觀性和偶然性，不同文獻中同樣濃度的蔗糖、硝酸鉀等溶液質壁分離及復原的時間都不完全一致也證明了這一點見（表1～表4）。山東省教研員張可柱老師認為葡萄糖可能只被細胞吸收至原生質層而未進入細胞液，未能提高細胞液的滲透壓。此外，也有教師提出可能洋蔥表皮細胞對葡萄糖的吸收量較小，或吸收后立即被氧化分解而造成細胞未能吸水復原。關于這一問題筆者將繼續思考和探究。

3.6 氯化鈉溶液能使細胞質壁分離自動復原

趙則信的《影響質壁分離自動復原因素的實驗探究》一文中提到“但在一定的濃度范圍下，NaC1溶液都不能發生自動復原的現象”，筆者也在課堂教學中將這一結論作為已知條件為學生設計新的實驗提供佐證。但現場授課后，參會的幾位生物教師提出他們自己的實驗結果顯示氯化鈉也可以使細胞發生質壁分離自動復原。帶著這一問題，筆者配制了物質量濃度為0.05 g/mL的氯化鈉溶液（物質的量濃度相當于0.3 g/mL蔗糖溶液）完成了該實驗。方法如3.4中所述，結果顯示，該濃度的蔗糖，氯化鈉溶液使細胞質壁分離的速度更快，從觀察到明顯質壁分離開始計時，75 min左右時出現了較為明顯的質壁分離自動復原；繼續觀察發現，與硝酸鉀溶液類似，細胞也不能完全恢復至質壁分離前的狀態，3 h后吸去石蠟油，向裝片上滴加清水，發現細胞仍可吸水而發生質壁分離復原，這說明細胞尚未因長時間失水而死亡。考慮到3.5中所述的因素，筆者得出如下結論：氯化鈉溶液可以作為蔗糖的替代溶液；在實驗室條件下，氯化鈉溶液可以使細胞出現質壁分離自動復原，但速度比硝酸鉀溶液慢。

4 不足之處

通過與聽課教師及專家的交流，筆者發現本課問題主要有：① 課堂容量大：雖然3個小組同時探究不同問題可以解決時間上的沖突，但課堂生成的很多重要問題未能充分展開討論；同時也沒能及時點評和糾正學生表述中的一些細節問題，這可能會讓學生形成一些錯誤的印象。這些都與教學內容較多有關，教師難以面面兼顧。② 應注意回歸教材：本課對教材內容做了大量拓展，引領了學生的思維，但本課的核心概念為滲透作用和質壁分離，課標對本課的要求為“說明物質進出細胞的方式”，因此本課最后應將學生發散的思維統一在教材的基本概念上，這也是對教材的一種尊重。

5 改進與展望

本課的授課地點為大慶市委黨校，教學環境需現場搭建，教學硬件和技術手段（如結果的展示和數據傳輸）的使用嚴重受限。如果能在數碼顯微互動實驗室中授課，實驗結果的共享更加便利，提高教學過程的流暢性，達到事半功倍的效果。

筆者在準備本課的過程中，也在不斷關注與本課有關的設計和創新。江西一位生物教師對植物細胞的吸水和失水也做過改進，其最大創新點在于將本實驗進行了量化分析。曾老師用帶有標尺的目鏡替換原目鏡，首先可以在低倍鏡下統計視野中發生質壁分離的細胞個數及百分比，換成高倍鏡后可以測量某一細胞原生質層的長和寬；其次在拍攝結果時，可以使用手機并通過APP傳輸數據、共享結果，手機的另一個優勢在于可以隨時從顯微鏡上取下，以拍攝學生的活動及操作過程，但對WIFI網絡具有很強的依賴性。由于目鏡標尺和手機拍照在公開課現場使用具有局限性，筆者將在日常實驗室教學中加以應用。

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