基于文獻拓展的實驗課設計
——以“探究植物細胞的吸水和失水”為例

吳紅勝 李勝杰

(1.華中師范大學第一附屬中學 2.長江大學)

1.教材及學情分析

1.1教材分析“探究植物細胞的吸水和失水”實驗是人教版高中生物必修1第4章第1節的內容,為第3章第1節《細胞膜的結構與功能》的知識延續,是本節“被動運輸”概念的實踐鋪墊。該實驗是高中階段的第一個“探究性”實驗,除幫學生理解質膜(細胞膜)的選擇透過性作用之外,教材重點展示了探究性實驗的一般流程,旨在讓學生初步掌握科學探究的思維和方法,為今后的探究活動打下基礎。

配套教師用書中也特別強調:“《探究植物細胞的吸水和失水》是一個要求學生全程進行探究的實驗,目的是通過這個實驗,讓學生進一步學習科學探究的一般方法。因此,該探究方案中所提供的案例是用作參考的,教學中不要照搬‘參考案例’,把探究實驗變成驗證實驗?！?/p>

1.2學情分析學生已經掌握植物細胞的結構和動物細胞發生滲透吸水和失水的原理,了解臨時裝片的制作和顯微鏡的使用等,這些知識和技能為學生完成本節課的探究過程奠定了良好的基礎。但絕大多數學生探究思維不成熟,實驗技能訓練不足,在有限的課堂時間內,較難獨立完成全部探究實驗,“小組合作”的方式較適合現階段學生。

因此,為順利推進教學過程,部分教學活動組織形式:課前查閱資料小組討論動手實驗再討論小組總結全班展示、交流。

2.教學目標

2.1生命觀念通過實驗樹立“結構決定功能”的生命科學觀念,并能夠以該生命觀念為基礎更好地理解“植物細胞滲透吸水和失水”這一生命現象,理解植物細胞質膜的選擇透過性作用。

2.2科學思維科學探究思維和批判性思維得到訓練。

2.3科學探究初步具備發現問題、提出問題、作出假設、設計實驗的能力,以及結合探究思維,拓展創新教材實驗的能力。熟練掌握質壁分離及復原實驗的實驗操作。

2.4科學實踐能夠解釋生活中的植物吸水和失水現象,體會科學在生活中的力量。學科興趣和好奇心、實事求是和富于探索的科學精神得到增強。學會分工合作,與他人分享實驗成果,培養團隊合作精神。

3.教學準備

教師研究教材、引導學生課前查閱相關文獻資料,對實驗材料、試劑及試劑濃度進行預實驗,為學生提供多個預選方案。

課程中還使用電子白板與平板電腦(PAD)交互輔助教學。課前幾分鐘培訓學生掌握PAD拍攝顯微鏡視野圖像和連接電子白板分享圖片等技能。

用具與實驗材料

實驗用具:普通光學顯微鏡、刀片、鑷子、滴管、打孔器、載玻片、蓋玻片、吸水紙等。

生物材料:紫色洋蔥鱗片葉、輪葉黑藻、菠菜葉、葉子花、碧冬茄、一串紅、白蘿卜。其中部分植物來源于校園植物,充分利用校內資源開展實驗。

溶液試劑:質量濃度為0.3 g/mL的蔗糖溶液;不同質量濃度NaCl溶液:0.025 g/mL、0.05 g/mL、0.1 g/mL;不同質量濃度KNO3溶液:0.05 g/mL、0.08 g/mL;質量濃度為0.15 g/mL的尿素溶液;紅墨水、清水。

4.教學過程

【教師引導】通過列舉生活實例,引入細胞失水和吸水現象:如萎蔫的蔬菜被噴水后變得硬挺;大白菜剁餡加鹽后析出水分;農作物施肥過多,造成燒苗現象。

通過類比推理,比較植物細胞水分進出與上節課所學動物細胞水分進出的異同,引導學生思考:在植物細胞的滲透吸水和失水過程中,什么結構相當于半透膜?進而引導學生得出“植物細胞的原生質層相當于一層半透膜”。培養學生結構與功能相適應的生命觀念。

【學生參與】通過查閱分享文獻,教師演示白蘿卜塊的吸水和失水實驗。將白蘿卜塊分區并打孔,將不同蘿卜圓塊分別放于清水和蔗糖溶液中一段時間,再放回原位置,讓學生觀察現象(注:課前10 min準備)。蔗糖溶液中放置一段時間的蘿卜塊很容易穿過原來的孔,而清水中的蘿卜塊則較難穿過原來的孔。學生既直接觀察到植物細胞失水和吸水現象,同時也感受到查閱文獻在助力科學研究和實驗中的作用。教師還可引導學生思考,此實驗設計有哪些優缺點,又可以如何改進。

【教師引導】教師計算配制100 mL 0.3 g/mL蔗糖溶液需要的蔗糖量,盛于量筒展示給學生。得出:如配制500 mL溶液,所需蔗糖量約占一瓶礦泉水體積的1/3。學生意識到配制0.3 g/mL(30 g/100 mL)的蔗糖溶液供全班同學做實驗,實際需要消耗大量蔗糖,幫助學生建立節約和環保的意識。此處也為后續探究利用不同實驗試劑開展細胞吸水和失水實驗的優缺點打下基礎。

【學生參與】分享并分析前期查閱的相關文獻,師生共同探討如何改進實驗材料,以及好的實驗材料應該具有哪些特征:(1)材料易獲取;(2)裝片易制作;(3)觀察易進行。

學生又從“容易觀察”的角度,結合多個文獻分析得出實驗材料還需要滿足的條件或者其他觀察細胞吸水和失水的實驗方法:(1)液泡較大且有較深顏色(例如:洋蔥鱗片葉外表皮);(2)細胞質基質中葉綠體顏色(例如:輪葉黑藻);(3)細胞質無色+外界溶液有顏色(例如:洋蔥鱗片葉內表皮+紅墨水);(4)植物氣孔開閉(菠菜葉的氣孔)。學生往往還能給出許多其他答案,教師可以引導學生對答案的合理性進行分析。

此過程培養了學生的科學探究精神和批判性思維,明白實驗材料可以不局限于教材案例,甚至文獻案例,應該結合思考和實踐探索進行創新。

【教師引導】結合文獻分享,師生共同探討改進實驗試劑。教師引導學生思考:(1)為什么要對0.3 g/mL的蔗糖進行改進:①蔗糖有黏性,易污染顯微鏡鏡頭和實驗臺;②蔗糖溶液濃度高,耗費量大,有浪費之嫌。(2)如何對0.3 g/mL的蔗糖進行改進:①結合文獻資料,探討使用不同濃度的NaCl溶液替代蔗糖溶液的可行性;②鋪墊植物細胞可以吸收K+和尿素等知識,引導學生思考用KNO3或尿素溶液做質壁分離實驗可能發生的質壁分離自動復原現象。

【學生參與】和老師一起分析文獻資料,學生在此過程中思維得到發散,同時意識到創新并不是盲目的,查閱文獻是很好的參考途徑,但要結合所學知識并獨立思考。在教師的引導下,學生還會深入思考,選擇什么濃度的KNO3或尿素溶液更容易發生質壁分離自動復原現象,進一步強化了學生的科學探究精神和批判性思維。

【教師引導】組織學生實驗與實驗結果展示、交流。(1)組織小組分工:全班同學分材料組(1、2、3小組采用不同材料,試劑主要用0.3 g/mL蔗糖溶液)和試劑組(4、5、6小組采用不同試劑,材料主要用洋蔥外表皮)兩個大組,6個小組。(2)引導6個小組開展實驗,分享、評價、分析實驗結果。(3)指導實驗結論。

【學生參與】小組分工合作探究,實驗結束后學生陳述實驗歷程,分析實驗結果,得出實驗結論。

(1)小組分工合作探究(1、2、3小組除采用洋蔥、輪葉黑藻、菠菜之外,也可以采用校園植物如葉子花、碧冬茄、一串紅):

小組分工表

(2)進行實驗,記錄結果。

(3)六個小組分別討論實驗結論,組長展示實驗結果并總結。

學生利用PAD和電子白板分享實驗結果和結論:

第一組:洋蔥內、外表皮比較。學生展示實驗結果,評價洋蔥鱗片葉內、外表皮作為實驗觀察材料的優缺點。

第二組:輪葉黑藻。學生展示實驗結果,評價輪葉黑藻作為觀察材料的優缺點。

第三組:菠菜葉下表皮。學生展示實驗結果,評價以菠菜葉氣孔開閉為觀察對象開展實驗的優缺點(氣孔開閉與細胞吸水和失水的關系,教師可提前鋪墊)。

第四組:蔗糖和氯化鈉對比。學生展示實驗結果,評價蔗糖和氯化鈉作為實驗試劑的優缺點(注:第4小組嘗試不同濃度NaCl溶液,觀察效果,并和0.3 g/mL的蔗糖溶液做比較,嘗試分析不同濃度和不同溶液在發生質壁分離時的異同及其原因)。

第五、六組:硝酸鉀溶液和尿素溶液。學生展示實驗結果,評價硝酸鉀溶液和尿素溶液作為實驗試劑的優缺點,以及不同濃度硝酸鉀溶液在發生質壁分離和質壁分離復原時的實驗差異。

在學生展示過程中,教師進行評價、指導和總結。通過實驗、小組討論、分享交流,學生在實踐中體會到探究創新不能局限于課本,甚至文獻資料。在自身實驗結果與文獻資料結論進行比較后,學生切身體會到不同實驗材料和試劑在實驗中的優缺點,對相關知識理解更加透徹。如學生發現恰好發生質壁分離的較低濃度的硝酸鉀溶液和尿素溶液更容易導致植物細胞發生質壁分離自動復原,但質壁分離現象沒有高濃度的溶液明顯。此過程也培養了學生質疑、求實、創新的科學態度。

【教師引導和小結】植物細胞的質壁分離和復原實驗與課堂最開始展示的白蘿卜塊實驗有何異同?還可以進一步得出怎樣的結論?引導學生得出:蘿卜塊大小的變化還體現出植物細胞壁也具有一定的伸縮性,而結合質壁分離和復原實驗,則說明原生質層的伸縮性要大于細胞壁。不同分子進出細胞的差別反映出細胞膜的選擇透過性。

引導學生小結課程內容,完成實驗記錄,撰寫實驗報告,更進一步理解和鞏固相關知識。

5.教學反思

本節教學設計不局限于教材案例,通過文獻資料查閱和分享,篩選典型文獻資料,探索創新實驗設計,學生在參與中初步掌握了探究實驗的基本過程和方法,培養了質疑、求實、創新的科學探究精神和科學素養。

課堂重點體現學生自主探究能力的培養,從問題的提出、文獻資料的查閱、預實驗、課題的確定到實驗方案的設計與實施,學生都充分發揮了主體作用。同時通過選用不同生物實驗材料和試劑,加深了學生對“細胞膜選擇透過性”概念的理解。在對比探究中,學生對該節知識的掌握和理解也更加透徹,在思考和實踐中充分體會到探究實驗的魅力和樂趣,切實培養了探索精神、團隊協作精神等。當然,課程開展也存在改進之處,如學生用PAD拍攝顯微鏡視野容易失焦,需要教師提前培訓,拍攝存儲的多張照片沒有及時標注容易混淆等。