高中生物拓展性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

李桂梅

[摘? ?要]以“植物細(xì)胞的吸水和失水”拓展性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐為例，介紹開展高中生物拓展性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)踐過程：引導(dǎo)學(xué)生提出新的探究課題，嘗試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，以及反思實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。通過拓展性實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的開展，深化學(xué)生對教材實(shí)驗(yàn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、探究能力等學(xué)科核心素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]拓展性實(shí)驗(yàn);教學(xué)設(shè)計(jì);學(xué)科核心素養(yǎng);植物細(xì)胞;吸水;失水

[中圖分類號(hào)]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2019）02-0081-02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)科達(dá)成課程目標(biāo)的重要手段，也是學(xué)生最感興趣的教學(xué)內(nèi)容之一。有限的教材實(shí)驗(yàn)不足以滿足學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望。因此，筆者在教學(xué)實(shí)踐中，與學(xué)校的校本課相結(jié)合，面向熱愛生物學(xué)科的學(xué)生，開設(shè)了以教材實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以拓展性實(shí)驗(yàn)為內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)校本課，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和原理，開展新的探究，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移。拓展性實(shí)驗(yàn)的開展給學(xué)生提供了自主探究的機(jī)會(huì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和動(dòng)手能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)。同時(shí)，能促進(jìn)學(xué)生對教材實(shí)驗(yàn)的深入理解和牢固掌握。

“植物細(xì)胞的吸水和失水”是人教版高中生物必修1第四章第一節(jié)中的實(shí)驗(yàn)，也是人教版高中生物教材中的第一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)。該拓展性實(shí)驗(yàn)的開展，旨在訓(xùn)練和強(qiáng)化學(xué)生對探究性實(shí)驗(yàn)各個(gè)基本環(huán)節(jié)的理解和掌握。下面筆者以“植物細(xì)胞的吸水和失水”的拓展性實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，談?wù)勍卣剐詫?shí)驗(yàn)教學(xué)的基本過程。

一、 教學(xué)過程

1.提出實(shí)驗(yàn)課題

在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師首先利用問題啟發(fā)法引導(dǎo)學(xué)生嘗試提出新的實(shí)驗(yàn)課題，然后從中選定幾個(gè)有探究價(jià)值且可行性高的課題（如課題一、課題二和課題三），最后建立課題小組，引導(dǎo)學(xué)生小組合作探究。

課題一：探究校園中可用于做“植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)的優(yōu)良選材。

課題二：比較幾種實(shí)驗(yàn)材料的細(xì)胞液濃度大小。

課題三：探究洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的細(xì)胞液濃度。

2.制訂實(shí)驗(yàn)方案

各課題小組利用課上和課后時(shí)間查閱資料，嘗試制訂實(shí)驗(yàn)方案。課題組組長匯報(bào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，師生集體討論，提出意見和建議。課題組內(nèi)部進(jìn)行二次討論，完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

課題一：探究校園中可用于做“植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)的優(yōu)良選材。

教材實(shí)驗(yàn)之所以選擇紫色的洋蔥鱗片葉作為實(shí)驗(yàn)材料，是因?yàn)槠浼?xì)胞中有紫色大液泡，便于觀察。校園中的各種鮮花花瓣的表皮細(xì)胞也有此優(yōu)點(diǎn)，也可作為優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)替代性材料。撕取不同品種鮮花花瓣的表皮細(xì)胞（選取的鮮花有紅色月季花、黃色三色堇、粉色牽?；ê图t色茶花），采用教材實(shí)驗(yàn)的處理方式，觀察比較細(xì)胞質(zhì)壁分離的效果。

課題二：比較幾種實(shí)驗(yàn)材料的細(xì)胞液濃度大小。

根據(jù)植物細(xì)胞吸水和失水的原理，采用教材實(shí)驗(yàn)的處理方式，將幾種實(shí)驗(yàn)材料（用第一課題小組選出的優(yōu)良選材和洋蔥鱗片葉）的表皮細(xì)胞同時(shí)浸潤在0.3 g/mL的蔗糖溶液中，觀察比較各選材的細(xì)胞開始發(fā)生質(zhì)壁分離的時(shí)間和質(zhì)壁分離的程度，判斷不同實(shí)驗(yàn)材料的細(xì)胞液濃度大小。

課題三：探究洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的細(xì)胞液濃度。

根據(jù)植物細(xì)胞吸水與失水的原理，找出洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的等滲溶液。在0～0.3 g/mL范圍內(nèi)設(shè)置5個(gè)蔗糖溶液濃度梯度（0 g/mL、 0.05 g/mL、0.1 g/mL、0.2 g/mL、0.3 g/mL），在同一片洋蔥鱗片葉上的相同部位撕取5片外表皮，將它們同時(shí)浸潤在不同濃度的蔗糖溶液中持續(xù)相同的時(shí)間，制作臨時(shí)裝片，觀察外表皮細(xì)胞質(zhì)壁分離的狀態(tài)。

師生的意見和建議：（1）課題一的實(shí)驗(yàn)和教材實(shí)驗(yàn)為定性實(shí)驗(yàn)，而課題二和課題三的實(shí)驗(yàn)中有量的比較，不適合采用教材實(shí)驗(yàn)的處理方式，因?yàn)榭赡軙?huì)造成細(xì)胞外蔗糖溶液濃度的變化。為排除干擾，課題二的實(shí)驗(yàn)可改為先用清水制作臨時(shí)裝片，觀察細(xì)胞的正常狀態(tài)，然后擦去清水，再用蔗糖溶液做臨時(shí)裝片，觀察細(xì)胞的質(zhì)壁分離情況。（2）由于外界溶液濃度越小，質(zhì)壁分離速度越慢，因此課題三實(shí)驗(yàn)的觀察時(shí)間應(yīng)比教材實(shí)驗(yàn)更長。（3）由于滲透壓與溶液中溶質(zhì)分子的多少有關(guān)，因此課題三實(shí)驗(yàn)得出的等滲蔗糖溶液濃度范圍應(yīng)換算成物質(zhì)的量濃度。

3.準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作

各課題小組提前列出所需器材、試劑和材料，并于課前在教師和實(shí)驗(yàn)師的協(xié)助下準(zhǔn)備好。校本實(shí)驗(yàn)課時(shí)，各課題小組進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)操作，教師和實(shí)驗(yàn)師協(xié)助指導(dǎo)。

（注：由于第二課題組需要第一組課題的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以第一、第二課題組合并探究。）

4.展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

各課題小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論匯報(bào)如下：

第一課題組：茶花和牽牛花的花瓣太嫩，撕取表皮困難，要么損壞細(xì)胞，要么撕取太厚，不適合做實(shí)驗(yàn)替代性材料。月季和三色堇花瓣表皮較易撕取，且能發(fā)生明顯的質(zhì)壁分離現(xiàn)象（如圖1至圖4），可作為實(shí)驗(yàn)替代性材料。但撕取的月季花瓣表皮易卷曲，較難展開做裝片。因此，較好的實(shí)驗(yàn)替代性材料是三色堇花瓣。

第二課題組：在0.3 g/mL蔗糖溶液中，三色堇花瓣和洋蔥鱗片葉的外表皮細(xì)胞質(zhì)壁分離迅速，而月季花瓣外表皮細(xì)胞質(zhì)壁分離較緩慢，需時(shí)更長。因此，月季花瓣外表皮細(xì)胞液濃度大于三色堇花瓣和洋蔥鱗片葉。

第三課題組：同一部位洋蔥鱗片葉外表皮置于不同濃度的蔗糖溶液中10 min，質(zhì)壁分離狀態(tài)如圖5至圖9所示。其中0.05 g/mL實(shí)驗(yàn)組中細(xì)胞幾乎不發(fā)生質(zhì)壁分離;0.1 g/mL實(shí)驗(yàn)組中有極少數(shù)細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離;0.2 g/mL實(shí)驗(yàn)組中大多數(shù)細(xì)胞發(fā)生較大程度的質(zhì)壁分離;0.3 g/mL實(shí)驗(yàn)組中絕大多數(shù)細(xì)胞發(fā)生大程度的質(zhì)壁分離，甚至有些細(xì)胞因失水過多而死亡（如圖9）。

一般將引起50%左右的細(xì)胞發(fā)生初始質(zhì)壁分離的溶液濃度，稱為細(xì)胞液的等滲濃度。因此，本實(shí)驗(yàn)所選洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的細(xì)胞液的等滲濃度介于0.29 mol/L和0.58 mol/L之間。（將0.1 g/mL和0.2 g/mL的蔗糖質(zhì)量濃度換算為物質(zhì)的量濃度）

5.分析實(shí)驗(yàn)中存在的問題

師生共同分析實(shí)驗(yàn)中存在的問題：（1）同一選材、同一部位上各細(xì)胞的質(zhì)壁分離不同步，可能是受撕取表皮不均勻的影響，也可能說明即使是同一選材、同一部位細(xì)胞的細(xì)胞液濃度也有差異，因?yàn)椴煌?xì)胞可能處于不同的生理狀態(tài)。（2）由于同一選材上各細(xì)胞的質(zhì)壁分離不同步，因此無法記錄具體的質(zhì)壁分離開始時(shí)間，只能根據(jù)某時(shí)刻多數(shù)細(xì)胞質(zhì)壁分離的狀態(tài)粗略判斷，因此只能比較細(xì)胞液濃度差異大的選材。（3）采用“擦去清水再滴加蔗糖溶液重新做臨時(shí)裝片”的處理方法，克服了蔗糖溶液濃度受影響的弊端，但同時(shí)引起了新的問題：花瓣外表皮在裝片中的位置挪動(dòng)，很難在視野中找回同一部位觀察，前后對比性受影響。（4）細(xì)胞液濃度大小還跟選取洋蔥的成熟程度、生理狀態(tài)、第幾層的鱗片葉等有關(guān)，因此課題三的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能說明所選材料的細(xì)胞液濃度。

二、教學(xué)反思

開展拓展性實(shí)驗(yàn)的目的，不在于得到多么完美的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和多么科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而是引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)腦動(dòng)手，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。因此，在教學(xué)實(shí)踐中，教師要放手讓學(xué)生自己嘗試去設(shè)計(jì)、去操作實(shí)驗(yàn)，哪怕實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡如人意。但同時(shí)，也需要適度地引導(dǎo)和規(guī)范，如實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生更好地掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。另外，還要充分發(fā)揮集體的力量，如在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析環(huán)節(jié)，采用小組匯報(bào)和全班研討的方式，讓學(xué)生之間相互糾錯(cuò)，提出建議。這樣，一方面可以幫助實(shí)驗(yàn)小組更好地完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則的理解;另一方面可以提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的參與度，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（責(zé)任編輯 黃春香）