“植物細(xì)胞的吸水與失水”實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究及反思

宋婷婷 王 妍

(合肥一六八新店花園學(xué)校 安徽合肥 230011)

“植物的生長需要水與無機(jī)鹽”是蘇教版初中《生物學(xué)》七年級(jí)上冊中的第五章第三節(jié)。本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能觀察到植物根的吸水與失水，并且引導(dǎo)學(xué)生理解：當(dāng)外界溶液濃度大于植物細(xì)胞液濃度的時(shí)候，植物細(xì)胞就會(huì)發(fā)生失水；當(dāng)外界溶液濃度小于植物細(xì)胞液濃度的時(shí)候，植物細(xì)胞就會(huì)發(fā)生吸水。在實(shí)際的生物課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一個(gè)明顯的難點(diǎn)：學(xué)生可以利用白蘿卜根、蔗糖溶液、清水等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是用普通的直尺難以精確地測量出實(shí)驗(yàn)前后的蘿卜條的長度變化，于是學(xué)生只能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性的描述，例如蘿卜條好像變軟了、蘿卜條好像變硬了等。于是筆者創(chuàng)新地使用了更加精確的測量和稱量工具，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果從定性描述走向精確的定量描述，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師經(jīng)常使用的實(shí)驗(yàn)材料有蘿卜的根、白菜幼苗等，而筆者引導(dǎo)學(xué)生嘗試了更多的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植物各器官在高濃度溶液中都會(huì)發(fā)生失水現(xiàn)象，在低濃度溶液中都會(huì)發(fā)生吸水現(xiàn)象。多種實(shí)驗(yàn)材料的嘗試探究能幫助學(xué)生深入理解植物細(xì)胞吸水與失水的原理。《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的課程基本理念要求提高生物科學(xué)素養(yǎng)與倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，探究性實(shí)驗(yàn)是倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)、發(fā)展學(xué)生探究能力和提高生物科學(xué)素養(yǎng)的良好載體。

一、提出問題

筆者在與學(xué)生共同對此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探討的過程中，學(xué)生們提出了一些問題：蘿卜條浸泡前后長度變化特別小，直尺無法精確測出蘿卜條浸泡前后的長度變化怎么辦？蘿卜根細(xì)胞液的濃度是多少呢？除了植物的根，植物其他器官也能發(fā)生吸水或者失水嗎？通過顯微鏡能否觀察到植物細(xì)胞的吸水與失水、如何能拍攝到植物細(xì)胞吸水與失水的照片和視頻呢？

二、設(shè)計(jì)思路

為了解決以上學(xué)生提出的問題，并達(dá)成本節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路如下：教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行宏觀探究的分組實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、驗(yàn)證假設(shè)并得出結(jié)論；再從宏觀到微觀，利用顯微鏡進(jìn)行微觀探秘。于是筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了如下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索。

三、教學(xué)過程

(一)宏觀探究

探究1：蘿卜條浸泡前后長度變化特別小，直尺無法測出蘿卜條浸泡前后的長度變化怎么辦？

筆者引導(dǎo)學(xué)生利用白蘿卜根、自制打孔器、各濃度梯度的蔗糖溶液(0.1 g/ml、0.2 g/ml、0.3 g/ml、0.4 g/ml)、清水、小燒杯、量筒等材料進(jìn)行分組探究實(shí)驗(yàn)，通過觀察學(xué)生能明顯感知蘿卜根的軟硬變化，但是用直尺測量蘿卜條的長度變化無法精確地測量。于是放棄直尺，而是選擇了可讀數(shù)游標(biāo)卡尺(可精確到0.01 mm)作為測量工具，測量了蘿卜條浸泡前后的長度變化和直徑變化。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特別多，筆者將浸泡后的蘿卜條長度減去浸泡前的蘿卜條長度得到它們的差值，直接看浸泡前后蘿卜條長度的差值更能直觀地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還嘗試處理成折線圖，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能通過多種方式直觀呈現(xiàn)。

表1 不同濃度蔗糖溶液浸泡蘿卜條前后長度變化

表2 不同濃度蔗糖溶液浸泡蘿卜條前后直徑變化

探究2：蘿卜根細(xì)胞液的濃度是多少？

學(xué)生在分組探究實(shí)驗(yàn)過程中集思廣益，又提出了新問題：蘿卜根細(xì)胞液的濃度是多少？通過師生交流、討論，筆者指導(dǎo)學(xué)生可以在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上在蒸餾水和0.1 g/ml蔗糖溶液之間設(shè)置更小的濃度梯度(0.02 g/ml、0.04 g/ml、0.06 g/ml、0.08 g/ml)進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)提醒學(xué)生注意控制變量與重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。對浸泡前后蘿卜條長度差值、浸泡前后蘿卜條直徑差值中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以直觀地得出蘿卜根細(xì)胞液的濃度更精確的范圍是0.08 g/ml～0.1 g/ml。雖然此實(shí)驗(yàn)并沒有測出蘿卜根細(xì)胞液的濃度，但是進(jìn)一步精確了蘿卜根細(xì)胞液的濃度范圍，對于學(xué)生來說是一次非常有意思的實(shí)驗(yàn)探索。

表3 不同濃度蔗糖溶液浸泡蘿卜條前后長度變化

表4 不同濃度蔗糖溶液浸泡蘿卜條前后直徑變化

探究3：除了植物的根，植物其他器官也能發(fā)生吸水或者失水嗎？

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的思維是非常活躍的，他們又提出了以上新的問題：除了植物的根，植物其他器官也能發(fā)生吸水或者失水嗎？于是教師引導(dǎo)學(xué)生選擇不同的植物器官分組進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，通過討論與反復(fù)嘗試，學(xué)生最終選擇的實(shí)驗(yàn)材料是：土豆植株的莖、綠蘿植株的葉、百合植株的花、蘋果植株的果實(shí)、大豆植株的種子。全班分成了五個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中筆者也反復(fù)提醒學(xué)生注意控制變量與重復(fù)實(shí)驗(yàn)，例如稱量材料的質(zhì)量前后必須吸干材料表面的水分，防止實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)過大誤差，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性。在測量數(shù)據(jù)時(shí)，土豆的莖與蘋果的果實(shí)采取的方式是打孔器打孔后，利用可讀數(shù)游標(biāo)卡尺測量長度的變化。而綠蘿的葉、百合的花和大豆的種子不方便測量長度，用電子天平(可精確到0.001 g)稱量質(zhì)量的變化。學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并同樣用浸泡后的長度或者質(zhì)量減去浸泡前的長度或者質(zhì)量得到差值,例如土豆莖浸泡前后長度變化和綠蘿葉浸泡前后質(zhì)量變化。通過分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在蒸餾水中，植物各器官都會(huì)發(fā)生吸水現(xiàn)象，在高濃度溶液中植物各器官都會(huì)發(fā)生失水現(xiàn)象。而不同植物器官浸泡在各濃度梯度蔗糖溶液中發(fā)生吸水或者失水所測數(shù)據(jù)的差異，應(yīng)當(dāng)與各植物器官細(xì)胞液的濃度差異有關(guān)。

表5 土豆莖浸泡前后長度變化

表6 綠蘿葉浸泡前后質(zhì)量變化

(二)微觀探秘

通過宏觀探究部分的三個(gè)層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在低濃度溶液中植物的各器官都會(huì)吸水，在高濃度溶液中植物的各器官都會(huì)失水。植物的組成是具有層次性的，構(gòu)成植物最小的、最基本的層次是細(xì)胞，也就是說植物細(xì)胞是植物體結(jié)構(gòu)與功能的基本單位。植物各器官的吸水與失水應(yīng)當(dāng)與植物細(xì)胞的吸水和失水有關(guān)，但是植物細(xì)胞是肉眼不可見的，是非常微觀的。學(xué)生于是提出了新的問題：通過顯微鏡能否觀察到植物細(xì)胞的吸水與失水呢？如何能拍攝到植物細(xì)胞吸水與失水的照片和視頻呢？師生通過討論與嘗試棄用了普通光學(xué)顯微鏡，而是選擇了更便捷的數(shù)碼顯微鏡，還有紫色洋蔥外表皮，蒸餾水，0.1 g/ml、0.2 g/ml、0.3 g/ml、0.4 g/ml的蔗糖溶液，小燒杯，滴管，載玻片，蓋玻片等材料進(jìn)行了微觀探秘。通過數(shù)碼顯微鏡與電腦相連接可以直接用電腦操作實(shí)時(shí)拍攝視頻或者圖片。學(xué)生制作了臨時(shí)玻片標(biāo)本后放置在數(shù)碼顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)分別用0.1 g/ml、0.2 g/ml、0.3 g/ml、0.4 g/ml的蔗糖溶液引流后，紫色洋蔥外表皮細(xì)胞都出現(xiàn)了失水現(xiàn)象并且都拍攝了視頻和圖片。通過本次微觀探秘，學(xué)生嘗試使用了數(shù)碼顯微鏡，并且成功觀察到了在高濃度溶液中植物細(xì)胞發(fā)生的失水現(xiàn)象和在低濃度溶液中發(fā)生的吸水現(xiàn)象。在師生的共同努力下，實(shí)驗(yàn)探索從宏觀探究部分成功延伸到了微觀探秘部分，學(xué)生也獲得了較多珍貴的視頻和圖片資料。

四、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新

(一)實(shí)驗(yàn)儀器的選擇創(chuàng)新

宏觀探究實(shí)驗(yàn)選擇了精確度更高的可讀數(shù)游標(biāo)卡尺(可精確到0.01 mm)和電子天平(可精確到0.001 g)代替普通直尺和普通天平進(jìn)行測量和稱量，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度和科學(xué)性。在微觀探秘中選擇了數(shù)碼顯微鏡代替普通光學(xué)顯微鏡，可以連接電腦拍攝視頻和圖片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)更加直觀，也可以通過計(jì)時(shí)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果表述由定性改為定量，實(shí)驗(yàn)更加科學(xué)與直觀。在建構(gòu)模型中，創(chuàng)造性地使用了3D打印筆，打印出了模擬細(xì)胞壁的模型。

(二)實(shí)驗(yàn)材料的選擇創(chuàng)新

宏觀探究實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新性地選擇了土豆的莖、綠蘿的葉、百合的花、蘋果果實(shí)、大豆種子等植物的器官進(jìn)行了探究實(shí)驗(yàn)，而不再局限于書本中提到的植物的幼苗和教師常用的蘿卜的根。這就拓寬了學(xué)生的視野，加深了學(xué)生對植物細(xì)胞吸水原理的理解。

(三)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理創(chuàng)新

宏觀探究實(shí)驗(yàn)中有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，筆者引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得出用各濃度梯度蔗糖溶液浸泡前后數(shù)據(jù)的差值，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)更加直觀，有利于學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。筆者還引導(dǎo)學(xué)生嘗試將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作成折線圖，學(xué)生實(shí)現(xiàn)了用文字、圖表等多種方式來表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

五、教學(xué)反思

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索創(chuàng)新性地使用了精確度更高、更直觀的實(shí)驗(yàn)儀器，拓展了可選擇的實(shí)驗(yàn)材料，大膽地嘗試了建構(gòu)模型，引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)、參與實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究思維方式，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)探究能力。學(xué)生從宏觀探究、微觀探秘、建構(gòu)模型多角度體驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)探索的樂趣。但是，在建構(gòu)植物細(xì)胞吸水模型的時(shí)候，筆者和學(xué)生嘗試用橡皮筋密封玻璃紙模擬原生質(zhì)層，原生質(zhì)層是有一定彈性的，而玻璃紙的彈性非常小，因此制作好的模型無法觀察到吸水導(dǎo)致原生質(zhì)層變大的現(xiàn)象，而是通過插入玻璃管來代替，玻璃管內(nèi)液面上升了，說明發(fā)生了吸水現(xiàn)象。