基于“資料型探究活動”的教學及反思——以“其他植物激素”一節(jié)為例

劉本舉 （首都師范大學附屬中學 北京 100048）

按照現(xiàn)代認知心理學的知識分類系統(tǒng)，知識可分為陳述性知識和程序性知識兩大類。陳述性知識要求的心理過程主要是記憶，但其獲得過程要求新知識必須與原有知識形成聯(lián)系。所以，單純的機械記憶是難以達成教學目標的。要做到新知識與原有知識形成聯(lián)系，就需要借助于原有知識的遷移，通過個體思考獲取新知識。因此，在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》所規(guī)定的內(nèi)容中，陳述性知識的教學思路可借助于“資料型探究”活動進行設(shè)計，有助于幫助學生構(gòu)建新知識，提升學科核心素養(yǎng)。

“資料型探究活動”的教學設(shè)計，需要教師按照課程標準的要求，結(jié)合教材內(nèi)容查找相關(guān)資源，從知識的來源組織資料，整合為適合學生探究的小課題，以探究性思考題為主線，引導學生進行基于資料的探究性學習活動。通過思考、分析、論證獲取新知識，才能建立與原有知識的聯(lián)系。本文以“其他植物激素”一節(jié)為例，探討基于“資料型探究活動”的教學實施策略。

1 教材分析及設(shè)計思路

“其他植物激素”是高中生物學選擇性必修1第5 章第2 節(jié)，主要內(nèi)容為其他激素的種類和作用、植物激素間的相互作用，主要是陳述性知識。本節(jié)課是“植物生長素”一節(jié)內(nèi)容的重要補充及延伸，具備其固有的教育價值，對于學生從宏觀上掌握植物的激素調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)具有不可替代的作用。能讓學生從整體上認識到各種激素并非孤立地起作用，而是多種激素共同調(diào)控植物的生長發(fā)育和對環(huán)境的適應；并且挖掘其中蘊含的教育素材，設(shè)計為學生的探究性學習活動，可從論證、推理等方面培養(yǎng)學生的科學思維與科學探究能力，在培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)上起到很好的作用。

教材以平鋪直敘的方式，介紹了赤霉素的發(fā)現(xiàn)過程；簡單介紹了細胞分裂素、脫落酸、乙烯等植物激素的產(chǎn)生部位及主要功能；舉例說明了各種激素的相互作用關(guān)系。如果按照教材內(nèi)容平鋪直敘地講解，整個教學過程就呈直線狀，直白而簡單，學生被動接受、機械記憶知識。沒有科學思維的訓練，科學探究能力的提升也無從談起。植物激素的發(fā)現(xiàn)和研究歷程都蘊含了科學家的智慧和科學方法，好的教學設(shè)計能使學生沿著科學家探索生命世界的道路，理解科學的本質(zhì)和科學研究的思路和方法，對于提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)很有意義。本節(jié)課以“基于資料的探究性學習”為主線，重組資料，設(shè)計探究性學習活動，讓學生通過探究獲取知識。

2 教學過程

2.1 赤霉素

2.1.1 赤霉素的發(fā)現(xiàn) 將相關(guān)科學史轉(zhuǎn)化為學生探究性學習的小課題，讓學生在“讀（獲取信息）→想（利用原有知識進行思考與分析）→說（解決問題的辦法）”的過程中學習相關(guān)知識。

資料1：1926年，科學家觀察到，當水稻感染了赤霉菌后會瘋長（惡苗病），極大降低結(jié)實率。研究者將赤霉菌培養(yǎng)基的濾液噴施到水稻幼苗上，也出現(xiàn)了惡苗病癥狀。

從這份資料中你能得出什么結(jié)論？引導學生思考并總結(jié)：導致水稻患惡苗病的不是赤霉菌菌體，而是赤霉菌產(chǎn)生的某種化學物質(zhì)。

資料2：20世紀50年代，科學家從赤霉菌培養(yǎng)液中分離和鑒定了可導致惡苗病的3 種不同的赤霉素，分別命名為赤霉素A1（GA1）、A2（GA2）、A3（GA3）。

果然，植物體內(nèi)含有這種可導致惡苗病的化學物質(zhì)。但是，到此為止，還不能確定赤霉素是植物激素，因為只是從赤霉菌培養(yǎng)基中獲得了這種物質(zhì)，還沒有從植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)過。植物體內(nèi)是否有這種物質(zhì)？

資料3：20世紀50年代，科學家發(fā)現(xiàn)：外源GA可使矮生型玉米（一種突變體）顯著長高，達到正常（野生型）玉米的高度，但不能使正常玉米明顯增高（圖1）。

圖1 赤霉素處理矮生型玉米可使其達到正常高度

對此現(xiàn)象有2 種解釋（學生自行閱讀），你認同哪一種？請說出你的理由。

①矮生型和野生型玉米體內(nèi)均可產(chǎn)生內(nèi)源性GA，但矮生型缺乏GA 的受體；②矮生型玉米體內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)源性GA 較少，外源GA 補充了內(nèi)源性的不足。

教師提問后引導學生分析：激素必須與其特異性受體結(jié)合才能發(fā)揮作用。若該矮生型玉米缺乏GA 受體，則添加外源GA 是不能發(fā)揮作用的。因此，第1 種解釋是不對的。如果矮生型玉米內(nèi)源性GA 產(chǎn)生過少而導致植株矮小，添加足量的外源GA 即可生長至正常高度。如何解釋野生型對外源GA 不敏感？是因為其自身產(chǎn)生的內(nèi)源性GA 已足夠多的緣故（注意：GA 在促進生長方面沒有兩重性，濃度高也不會造成抑制，這點與IAA 不同）。可見，第2 種解釋更為合理。能合理解釋實驗現(xiàn)象是否一定正確？不一定，因為這僅是一種科學推理。植物體內(nèi)是否能產(chǎn)生內(nèi)源性赤霉素？

資料4：1958年，人們從紅花菜豆未成熟的種子中提純了赤霉素GA1。后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了植物體內(nèi)有多種GA。

至此，已確認植物體內(nèi)可合成GA，并且不止一種，赤霉素屬于植物激素。

上述資料已充分表明，GA 能促進植物莖伸長。有關(guān)資料表明其還可促進種子、塊莖等休眠體的萌發(fā)。

解釋休眠體：植物的種子、塊莖形成之后不能立即萌發(fā)，被稱為休眠體，其實屬于植物的一種適應性，有利于植物順利度過寒冷的冬天。春天來了，萬物復蘇，種子等休眠體開始萌發(fā)，這是否是GA 在發(fā)揮作用？

2.1.2 赤霉素可促進種子的萌發(fā) 讓學生通過“資料閱讀→獲取信息→實驗分析→信息關(guān)聯(lián)→綜合推斷”，解釋GA 是如何促進種子萌發(fā)的。

資料5：種子中的GA 主要來自胚，GA 可促進種子的萌發(fā)。種子中胚的萌動需要胚乳提供營養(yǎng)物質(zhì)，小麥種子的胚乳中儲存大量淀粉，為胚的生長發(fā)育提供充足的能源物質(zhì)。某生物學興趣小組為了探究GA 促進種子萌發(fā)的原理，用去胚小麥種子（保留完整胚乳）進行了如下實驗：將若干小麥種子均去掉胚（僅去掉胚，保留完整的胚乳部分），隨機均分為甲、乙2 組；甲組用清水、乙組用一定濃度的赤霉素溶液浸泡，30℃培養(yǎng)48 h；將甲、乙2 組種子均切為兩半，分別放入2 個加入淀粉的瓊脂平板內(nèi)（切面接觸平板）；6 h 后用I2-KI 溶液沖洗平板，結(jié)果如圖2。

圖2 去胚小麥種子實驗

提出問題：請根據(jù)資料解釋實驗現(xiàn)象，并嘗試推測GA 促進種子萌發(fā)的原理（提示：你需要從資料中獲取有效信息，并利用學過的知識進行推理，關(guān)聯(lián)相關(guān)信息，解釋GA 是如何促進種子萌發(fā)的）。

分析總結(jié)：透明圈的出現(xiàn)是因為淀粉被水解，常溫、常壓下淀粉的水解需要借助于淀粉酶。實驗組產(chǎn)生了淀粉酶而對照組沒有，說明GA 可誘導胚乳產(chǎn)生淀粉酶。再結(jié)合資料可知，種子萌發(fā)過程中，胚可產(chǎn)生GA，而GA 可誘導胚乳產(chǎn)生淀粉酶，促進淀粉水解，為胚的萌發(fā)提供充足的能源物質(zhì)，從而促進種子的萌發(fā)。

總結(jié)GA 的發(fā)現(xiàn)、生理功能等知識，并布置任務(wù)。還有其他幾種植物激素：細胞分裂素、脫落酸、乙烯等，學生可閱讀教材第97 頁，以表格形式總結(jié)歸納其產(chǎn)生部位、生理作用等，在此不再贅述。

2.2 植物激素間的相互作用

2.2.1 生長素與赤霉素的相互作用

資料6：①生長素（IAA）與受體結(jié)合才能發(fā)揮其作用。ABP1是生長素的受體蛋白，在生長素足量的情況下，ABP1的過量表達，可使生長素的作用增強。在ABP1過量表達的煙草葉片中，處于G2 期的細胞核比率是野生型的2 倍。在實驗條件下，離體的植物細胞在只有生長素（IAA），沒有細胞分裂素（CTK）的條件下，會形成大量多核細胞。在存在細胞分裂素的條件下，生長素才能促進細胞分裂。②生長素可使植物形成頂端優(yōu)勢現(xiàn)象，若施加細胞分裂素，則可促進側(cè)芽發(fā)育，形成側(cè)枝，打破頂端優(yōu)勢。

問題1：請根據(jù)上述資料①推斷IAA 和CTK在促進細胞分裂方面有何不同？IAA 和CTK 二者之間有什么關(guān)系？

問題2：資料②的實驗現(xiàn)象說明生長素和細胞分裂素在影響植物頂端優(yōu)勢方面具有什么關(guān)系？能得出什么結(jié)論？

分析總結(jié)：根據(jù)資料①，生長素主要促進細胞核分裂，細胞分裂素能促進細胞質(zhì)分裂，只有二者共同作用才能更好地促進細胞分裂，二者為協(xié)同關(guān)系。資料②說明在影響植物頂端優(yōu)勢方面，生長素和細胞分裂素具有拮抗關(guān)系。2 份資料聯(lián)合說明2 種激素在調(diào)節(jié)不同的生理過程時，二者之間的關(guān)系并非固定不變，有時協(xié)同，有時拮抗。

2.2.2 赤霉素和脫落酸的相互作用

資料7：①赤霉素可促進種子、塊莖等休眠體的萌發(fā)。②所謂胎萌現(xiàn)象，是指種子在未脫離母體植株前就開始萌發(fā)的現(xiàn)象。脫落酸（ABA）合成缺陷型突變體的胎萌現(xiàn)象可用外源ABA 處理加以抑制。

引導學生分析：根據(jù)資料可知，GA 可打破休眠，ABA 可促進并保持休眠，二者作用效果相反，為拮抗作用。通過資料推測，種子的休眠與萌發(fā)受GA 和ABA 共同調(diào)節(jié)，二者在調(diào)節(jié)種子萌發(fā)時有什么特點？請學生閱讀下列資料，解決問題。

資料8（學生閱讀）：擬南芥GA 缺陷型突變體的種子GA 含量極低，在缺乏外源GA 的培養(yǎng)基上是不能發(fā)芽的。將這些種子進行誘變處理，篩選能發(fā)芽的突變株。發(fā)現(xiàn)能發(fā)芽的植株不是能合成GA 的回復突變株，而是ABA 缺陷型突變體。檢測發(fā)現(xiàn)這種雙突變株種子內(nèi)的ABA/GA 的比例與野生型種子相同，而2種激素的絕對水平都比野生型更低。

問題：請閱讀資料8，分析ABA 和GA,調(diào)節(jié)休眠體萌發(fā)時有何特點？

分析總結(jié)：種子的休眠與萌發(fā)并非取決于2種激素的絕對量，而是由二者比例決定，ABA/GA比值較高促進休眠，反之促進萌發(fā)。還有很多類似現(xiàn)象，例如，脫落酸/赤霉素的比值較高有利于黃瓜形成雌花，反之，有利于形成雄花；在植物組織培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)基中生長素/細胞分裂素的比值較高有利于根的分化，反之，有利于芽的分化。這些事實表明，植物的生命活動往往是多種激素共同調(diào)節(jié)的，并非一種激素的單獨作用。

2.3 激素間相互作用的原理

2.3.1 生長素和乙烯的相互作用原理

資料9：生長素水平較高時可促進ACC（乙烯的前體物質(zhì)）合成酶的活性，促進ACC 合成進而促進乙烯的生成。實驗表明，外源施加IAA 可導致多個ACC 合成酶基因的轉(zhuǎn)錄水平提高，乙烯產(chǎn)量升高。若施加蛋白質(zhì)合成抑制劑，則可阻斷IAA 誘導的乙烯合成。乙烯可促進細胞橫向擴張、抑制生長素合成。

問題：請根據(jù)資料，解釋生長素水平過高可抑制莖伸長的原理。

引導學生分析：①低水平的生長素可促進細胞縱向伸長；②其水平過高時，誘導ACC 合成酶基因的轉(zhuǎn)錄水平提高，促進了ACC 的合成，進而促進了乙烯的合成；③乙烯水平的提高促進了細胞橫向擴張，抑制細胞的縱向伸長。故高濃度IAA 可抑制莖的伸長。蛋白質(zhì)合成抑制劑實驗進一步驗證了這個過程，說明IAA 并非直接促進乙烯的生成，而是通過促進和乙烯形成有關(guān)的某種蛋白質(zhì)間接促進乙烯的生成。

2.3.2 生長素和赤霉素相互作用的原理

資料10：將豌豆分為3 組：分別保留頂芽、切去頂芽、切去頂芽并添加生長素。一段時間后檢測植株中赤霉素的含量，結(jié)果如圖3。

圖3 生長素對豌豆幼苗赤霉素水平的影響

引導學生分析：頂芽是產(chǎn)生生長素的主要部位。去掉頂芽的豌豆赤霉素水平極低，不去頂芽的和去掉頂芽又添加生長素的組赤霉素水平均明顯升高，得出結(jié)論：生長素可促進赤霉素水平的升高。

資料11：圖4表示赤霉素對生長素水平的影響圖解。

圖4 赤霉素對生長素水平的影響圖

根據(jù)圖4分析：赤霉素可通過促進色氨酸轉(zhuǎn)化為生長素、抑制生長素的分解（即增加來源、減少去路）以提高生長素的水平。即赤霉素也可促進生長素水平的提高。豌豆體內(nèi)的IAA 和GA 相互促進，二者表現(xiàn)為協(xié)同作用。

根據(jù)上述資料及結(jié)論，回答問題：表1是科研工作者研究棉花幼苗頂端優(yōu)勢時發(fā)現(xiàn)不同植物激素對側(cè)芽生長的影響。請分析乙組和丙組出現(xiàn)了相反結(jié)果的原因（由學生討論解決）。

表1 不同植物激素對棉花幼苗側(cè)芽生長的影響

總結(jié)：根據(jù)資料得知，GA 可促進IAA 水平的提高，對IAA 具有增效作用。乙組沒有去掉頂芽，直接施加GA，促進了IAA 水平的進一步提升，所以，頂端優(yōu)勢更加顯著。丙組去掉頂芽，失去了IAA 的主要來源，在切口處施加GA，GA 直接發(fā)揮作用，導致側(cè)芽迅速生長。

2.4 植物激素在不同發(fā)育階段表現(xiàn)為不同水平的調(diào)節(jié) 首先，引導學生分析草莓果實發(fā)育過程中乙烯含量的動態(tài)變化圖，讓學生明白植物激素在不同發(fā)育階段是動態(tài)變化的；在此基礎(chǔ)上，再讓學生分析獼猴桃果實發(fā)育和成熟過程中激素的動態(tài)變化，并進行激素動態(tài)變化和果實發(fā)育的相關(guān)性分析。

圖5為草莓果實發(fā)育過程中乙烯含量的動態(tài)變化。利用已學知識，分析乙烯動態(tài)變化與草莓果實發(fā)育過程的相關(guān)性。

圖5 草莓果實發(fā)育過程中乙烯的動態(tài)變化[4]

引導學生分析：草莓乙烯水平升高可促進開花，授粉后乙烯保持高水平可促進花瓣脫落，果實逐漸膨大。之后，乙烯一直保持低水平，果實在其他激素作用下迅速發(fā)育。果實成熟期乙烯水平再次提升，促進果實成熟，果實成熟時乙烯水平達到最高。

圖6為獼猴桃果實發(fā)育和成熟過程中激素的動態(tài)變化。

圖6 獼猴桃果實發(fā)育過程中多種激素的動態(tài)變化[4]

提出問題：圖6為獼猴桃果實發(fā)育和成熟過程中生長素、細胞分裂素、赤霉素和脫落酸的動態(tài)變化，請根據(jù)所學知識描述各種激素變化過程和獼猴桃果實發(fā)育成熟過程的相關(guān)性？（由學生討論解決）

分析歸納：開花后30 d 內(nèi)生長素和細胞分裂素水平較高，可較好地促進果實生長膨大，后期處于低水平有利于果實的成熟；赤霉素在生長素和細胞分裂素高峰之后促進果實發(fā)育；脫落酸在開花初始階段水平較高，有利于花瓣脫落，后期升高有利于果實的衰老和成熟后的脫落。不僅各種激素都是動態(tài)變化的，而且不同激素的調(diào)節(jié)還出現(xiàn)了一定的順序性。正是各種激素的動態(tài)變化、順序出現(xiàn)，在不同的階段發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，才促進了植物體的正常生長發(fā)育、花開花落、迭代更替，讓神奇的大自然鳥語花香、生機盎然。

2.5 對“資料型探究活動”的思考 陳述性知識的教學設(shè)計常簡單化和直白化，導致在核心素養(yǎng)的培養(yǎng)方面有所欠缺，怎樣才能使新知識與原有知識形成聯(lián)系？怎樣才能順利構(gòu)建新知識并促成知識遷移？這是值得思考的問題?；凇百Y料型探究活動”的教學過程，不僅摒棄了以機械記憶為主的接受式學習，使知識學習與能力培養(yǎng)無縫銜接，并創(chuàng)設(shè)了良好的思考與探究氛圍，對于好奇心較強的中學生來說，非智力因素的提升也是必然的。

本節(jié)課充分挖掘和篩選激素發(fā)現(xiàn)和研究過程的科學史料，加工重組為適合學生閱讀思考的小課題，創(chuàng)設(shè)科學探究的氛圍，利用問題引導學生通過思考解決問題。教學設(shè)計盡力引導學生主動思考，摒棄以往教學僅注重知識傳授的接受式學習，避免機械記憶，倡導探究學習。在此過程中，激發(fā)了學生的學習興趣和學習積極性，在思考和探究的過程中培養(yǎng)了學生的科學思維和科學探究能力，在非智力因素的養(yǎng)成和智力發(fā)展方面均起到了良好的教學效果。