重構生物科學史，完善教材中植物向光生長的原理

于月超 胡玉勤

（山東省惠民縣第一中學 山東濱州 251700）

植物向光性運動的解釋存在兩種假說，即經典的生長素分布不均勻學說和抑制物質分布不均勻學說。但至今人們仍然對這兩種假說存在很多爭論，尚待進一步的深入研究。人教版教材傾向于生長素分布不均勻學說的解釋，但教材中的科學史實驗并不足以完整的證明植物向光性的原因。為了更好地符合學生的邏輯思維和現代知識背景，筆者在教學中打破時間順序重構科學史，并補充相應的實驗補充，可以更好地闡明植物向光性產生的原因，使結論更加嚴謹，進而培養和提高學生的生物學學科核心素養。

1 教材分析

“植物生長素的發現”為高中生物學《選擇性必修1·穩態與調節》第五章第一節“植物生長素”的第一課時，以植物的向光性現象為起點，并把向光性原因的解釋作為最后的落腳點，層層深入地揭示了植物向光性是在生長素調節作用下產生的個體適應現象。第一節的主要內容包括：植物生長素的發現，植物激素的概念，生長素的合成、分布和運輸以及生長素的生理作用。本節內容在結構體系上體現了人們對科學理論的認識過程和方法，是培養學生科學思維和科學探究的重要素材，更是歷年高考的熱點。

2 教學目標

①說出植物向光性的內、外因。

②解釋生長素運輸機制及與向光性的關系，進一步形成穩態與平衡觀。

③運用科學探究的基本原理和方法，設計實驗進行探究。

④參與植物向光性的討論，作出理性解釋和判斷，嘗試解決生產生活中的生物學問題。

⑤基于生長素發現過程實驗的評價，感知科學探究的曲折，認同生物學家的貢獻和價值。

3 教學過程

在從宏觀的向光生長現象到微觀的生長素物質的證明，再到生長素橫向運輸導致的分布不均勻導致的相關性生長，實質上也是對生長素概念的現象、實質和外延的一系列教學過程。教師依照這一思路進行概念教學，更容易幫助學生建構概念，更加有利于從簡單到復雜、從直觀到抽象的邏輯發展順序，更好地發展學生的科學思維，加深其科學探究能力，也可以加深他們對過去實驗方法的靈活運用，增強與時俱進、以史為鑒的社會責任意識。

3.1 植物向光性的直觀展示和顯微研究

教師提前4～5 d暗箱培養，用單側光照射，獲得明顯的向光性生長植物。然后，向學生展示實驗裝置（圖1），自然引入向光性原因的探究。同時，對植物放進暗箱的前后對比使學生認識到植物向光性的第一個原因即單側光，以及植物向光生長的意義。

圖1 土豆苗暗箱處理7天后

教師提出問題：植物為什么會向光生長呢？并進一步展示顯微鏡下向光側和背光側的細胞大小及數量的圖片（圖2），使學生明確：背光側比向光側生長的快導致植物向光彎曲生長，背光側細胞要比向光側細胞大而長。

圖2 胚芽鞘向光側和背光側細胞模式圖

學生思考導致植物兩側不同程度生長的原因。通過閱讀教材及教師的引導，學生可以得出：感光部位為胚芽鞘尖端、發生彎曲的部位為胚芽鞘的下部，并且胚芽鞘尖端產生了某種“影響”。如此為下一個階段的探索提供了基礎。

設計意圖：教師在對向光性研究中增添現代的顯微觀察，再介紹教材中達爾文的一系列實驗，可以使學生更好地認識植物向光性現象，也可以增強學生利用相關儀器進行直接觀察研究的意識。

3.2 化學物質的探索

教師引導學生思考：尖端產生了某種物質嗎？如何去測定或者是提取這種物質呢?教師展示鮑森·詹森的實驗，引導學生得出結論：尖端產生的影響可以透過瓊脂片傳遞給下部。

接著，教師展示溫特的實驗：把切下的燕麥尖端放在瓊脂上，再將經處理過的瓊脂塊放在切去尖端的燕麥胚芽鞘的一側，結果胚芽鞘會朝對側彎曲生長。但是，如果放置的是沒有接觸過胚芽鞘尖端的瓊脂塊，胚芽鞘則既不生長也不彎曲。由此溫特的實驗證明了胚芽鞘尖端產生的“影響”確實是一種化學物質。溫特把這種物質命名為生長素。并提出問題：生長素的本質是什么？

教師展示資料：1931年，科學家首先從人尿中分離出具有生長素效應的化學物質——吲哚乙酸（IAA）。由于生長素在植物體內含量極少，直到1946年人們才從高等植物中分離出生長素，并確定它就是一種化學物質IAA。

設計意圖：化學物質不能直觀地觀察到，就像酶、促胰液素等一樣，一方面能夠不依靠活細胞而進行轉移，另一方面可以進行提純結晶，最終確實的證明為是一種化學物質。對化學物質的反復證明也增強了學生思維的嚴謹性。

3.3 生長素分布不均勻導致植物的向光性生長

教師進一步引導學生思考：生長素如何導致植物的向光性生長？并展示拜爾的實驗，引導學生得出：人為地使尖端不均勻分布也可以使得胚芽鞘彎曲生長。由此，學生根據實驗現象，得出合理的假設：植物的向光性也可能是因為生長素的分布不均勻導致的。

教師追問：植物體中生長素為什么會分布不均勻呢？學生進一步提出假設：尖端受單側光的影響，可能出現了橫向運輸，向光一側生長素運向背光一側，導致背光側生長素多于向光一側。并嘗試設計實驗進行證明（表1）。

表1 學生假設、設計并預測實驗結果，得出結論

教師展示：Leopold等用C標記IAA，設計并實施試驗，從而證明光能夠刺激IAA從玉米胚芽鞘的向光側向背光側運輸。教師引導學生討論、得出：單側光照射后，胚芽鞘尖端的生長素發生橫向運輸，使得胚芽鞘背光一側的生長素多于向光一側，因而引起兩側的生長不均勻，從而造成向光彎曲生長。

教師引導學生總結生長素與植物向光性的關系，完成從宏觀到微觀的生長素發現及概念的教學。最后，學生閱讀教材中關于科學史的內容，進一步體會概念的得出與建構過程與科學實驗史的關系。

4 教學總結

本節教學充分依據了論證式教學的嚴謹模式，也一步步地精細設計了生長素概念建構的過程，讓學生充分地參與其中。教師呈現的資料既有教材中科學史的資料，又有現在相關實驗的補充，從而使一個完整的科學概念建構過程呈現于學生腦海當中，使學生更好地理解生物學概念的科學嚴謹性。

教師適當打破原本植物生長素發現的歷史順序，遵循學生的思維邏輯順序，先從細胞水平認識向光彎曲生長現象和原因，再引出是由一定的化學物質生長素引起的，進一步揭示出生長素的橫向運輸和不均勻分布，會更有利于學生邏輯思維的發展，促進學生用現代眼光去整體的認識科學史中的實驗。對于科學史的教學，教師既要尊重科學發展的艱辛和科學精神教育，也要適當注意引導學生應用現代技術去證實和驗證，以達到提升學生的科學思維和科學探究等生物學學科核心素養的目的。