基于文獻(xiàn)拓展的實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)
——以“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”為例

吳紅勝 李勝杰

(1.華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué) 2.長(zhǎng)江大學(xué))

1.教材及學(xué)情分析

1.1教材分析“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)是人教版高中生物必修1第4章第1節(jié)的內(nèi)容,為第3章第1節(jié)《細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能》的知識(shí)延續(xù),是本節(jié)“被動(dòng)運(yùn)輸”概念的實(shí)踐鋪墊。該實(shí)驗(yàn)是高中階段的第一個(gè)“探究性”實(shí)驗(yàn),除幫學(xué)生理解質(zhì)膜(細(xì)胞膜)的選擇透過性作用之外,教材重點(diǎn)展示了探究性實(shí)驗(yàn)的一般流程,旨在讓學(xué)生初步掌握科學(xué)探究的思維和方法,為今后的探究活動(dòng)打下基礎(chǔ)。

配套教師用書中也特別強(qiáng)調(diào):“《探究植物細(xì)胞的吸水和失水》是一個(gè)要求學(xué)生全程進(jìn)行探究的實(shí)驗(yàn),目的是通過這個(gè)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)科學(xué)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(xué)中不要照搬‘參考案例’,把探究實(shí)驗(yàn)變成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。”

1.2學(xué)情分析學(xué)生已經(jīng)掌握植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和動(dòng)物細(xì)胞發(fā)生滲透吸水和失水的原理,了解臨時(shí)裝片的制作和顯微鏡的使用等,這些知識(shí)和技能為學(xué)生完成本節(jié)課的探究過程奠定了良好的基礎(chǔ)。但絕大多數(shù)學(xué)生探究思維不成熟,實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練不足,在有限的課堂時(shí)間內(nèi),較難獨(dú)立完成全部探究實(shí)驗(yàn),“小組合作”的方式較適合現(xiàn)階段學(xué)生。

因此,為順利推進(jìn)教學(xué)過程,部分教學(xué)活動(dòng)組織形式:課前查閱資料小組討論動(dòng)手實(shí)驗(yàn)再討論小組總結(jié)全班展示、交流。

2.教學(xué)目標(biāo)

2.1生命觀念通過實(shí)驗(yàn)樹立“結(jié)構(gòu)決定功能”的生命科學(xué)觀念,并能夠以該生命觀念為基礎(chǔ)更好地理解“植物細(xì)胞滲透吸水和失水”這一生命現(xiàn)象,理解植物細(xì)胞質(zhì)膜的選擇透過性作用。

2.2科學(xué)思維科學(xué)探究思維和批判性思維得到訓(xùn)練。

2.3科學(xué)探究初步具備發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力,以及結(jié)合探究思維,拓展創(chuàng)新教材實(shí)驗(yàn)的能力。熟練掌握質(zhì)壁分離及復(fù)原實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作。

2.4科學(xué)實(shí)踐能夠解釋生活中的植物吸水和失水現(xiàn)象,體會(huì)科學(xué)在生活中的力量。學(xué)科興趣和好奇心、實(shí)事求是和富于探索的科學(xué)精神得到增強(qiáng)。學(xué)會(huì)分工合作,與他人分享實(shí)驗(yàn)成果,培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

3.教學(xué)準(zhǔn)備

教師研究教材、引導(dǎo)學(xué)生課前查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,對(duì)實(shí)驗(yàn)材料、試劑及試劑濃度進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn),為學(xué)生提供多個(gè)預(yù)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(xué)。課前幾分鐘培訓(xùn)學(xué)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(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用具:普通光學(xué)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(nèi)資源開展實(shí)驗(yàn)。

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

4.教學(xué)過程

【教師引導(dǎo)】通過列舉生活實(shí)例,引入細(xì)胞失水和吸水現(xiàn)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(nóng)作物施肥過多,造成燒苗現(xiàn)象。

通過類比推理,比較植物細(xì)胞水分進(jìn)出與上節(jié)課所學(xué)動(dòng)物細(xì)胞水分進(jìn)出的異同,引導(dǎo)學(xué)生思考:在植物細(xì)胞的滲透吸水和失水過程中,什么結(jié)構(gòu)相當(dāng)于半透膜?進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生得出“植物細(xì)胞的原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜”。培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

【學(xué)生參與】通過查閱分享文獻(xiàn),教師演示白蘿卜塊的吸水和失水實(shí)驗(yàn)。將白蘿卜塊分區(qū)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(shí)間,再放回原位置,讓學(xué)生觀察現(xiàn)象(注:課前10 min準(zhǔn)備)。蔗糖溶液中放置一段時(shí)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(xué)生既直接觀察到植物細(xì)胞失水和吸水現(xiàn)象,同時(shí)也感受到查閱文獻(xiàn)在助力科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)中的作用。教師還可引導(dǎo)學(xué)生思考,此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有哪些優(yōu)缺點(diǎn),又可以如何改進(jìn)。

【教師引導(dǎo)】教師計(jì)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(xué)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(xué)生意識(shí)到配制0.3 g/mL(30 g/100 mL)的蔗糖溶液供全班同學(xué)做實(shí)驗(yàn),實(shí)際需要消耗大量蔗糖,幫助學(xué)生建立節(jié)約和環(huán)保的意識(shí)。此處也為后續(xù)探究利用不同實(shí)驗(yàn)試劑開展細(xì)胞吸水和失水實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)打下基礎(chǔ)。

【學(xué)生參與】分享并分析前期查閱的相關(guān)文獻(xiàn),師生共同探討如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料,以及好的實(shí)驗(yàn)材料應(yīng)該具有哪些特征:(1)材料易獲取;(2)裝片易制作;(3)觀察易進(jìn)行。

學(xué)生又從“容易觀察”的角度,結(jié)合多個(gè)文獻(xiàn)分析得出實(shí)驗(yàn)材料還需要滿足的條件或者其他觀察細(xì)胞吸水和失水的實(shí)驗(yàn)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(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中葉綠體顏色(例如:輪葉黑藻);(3)細(xì)胞質(zhì)無色+外界溶液有顏色(例如:洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮+紅墨水);(4)植物氣孔開閉(菠菜葉的氣孔)。學(xué)生往往還能給出許多其他答案,教師可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)答案的合理性進(jìn)行分析。

此過程培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究精神和批判性思維,明白實(shí)驗(yàn)材料可以不局限于教材案例,甚至文獻(xiàn)案例,應(yīng)該結(jié)合思考和實(shí)踐探索進(jìn)行創(chuàng)新。

【教師引導(dǎo)】結(jié)合文獻(xiàn)分享,師生共同探討改進(jìn)實(shí)驗(yàn)試劑。教師引導(dǎo)學(xué)生思考:(1)為什么要對(duì)0.3 g/mL的蔗糖進(jìn)行改進(jìn):①蔗糖有黏性,易污染顯微鏡鏡頭和實(shí)驗(yàn)臺(tái);②蔗糖溶液濃度高,耗費(fèi)量大,有浪費(fèi)之嫌。(2)如何對(duì)0.3 g/mL的蔗糖進(jìn)行改進(jìn):①結(jié)合文獻(xiàn)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(xì)胞可以吸收K+和尿素等知識(shí),引導(dǎo)學(xué)生思考用KNO3或尿素溶液做質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)可能發(fā)生的質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原現(xiàn)象。

【學(xué)生參與】和老師一起分析文獻(xiàn)資料,學(xué)生在此過程中思維得到發(fā)散,同時(shí)意識(shí)到創(chuàng)新并不是盲目的,查閱文獻(xiàn)是很好的參考途徑,但要結(jié)合所學(xué)知識(shí)并獨(dú)立思考。在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生還會(huì)深入思考,選擇什么濃度的KNO3或尿素溶液更容易發(fā)生質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原現(xiàn)象,進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生的科學(xué)探究精神和批判性思維。

【教師引導(dǎo)】組織學(xué)生實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示、交流。(1)組織小組分工:全班同學(xué)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(gè)大組,6個(gè)小組。(2)引導(dǎo)6個(gè)小組開展實(shí)驗(yàn),分享、評(píng)價(jià)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(3)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

【學(xué)生參與】小組分工合作探究,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生陳述實(shí)驗(yàn)歷程,分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄結(jié)果。

(3)六個(gè)小組分別討論實(shí)驗(yàn)結(jié)論,組長(zhǎng)展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果并總結(jié)。

學(xué)生利用PAD和電子白板分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論:

第一組:洋蔥內(nèi)、外表皮比較。學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,評(píng)價(jià)洋蔥鱗片葉內(nèi)、外表皮作為實(shí)驗(yàn)觀察材料的優(yōu)缺點(diǎn)。

第二組:輪葉黑藻。學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,評(píng)價(jià)輪葉黑藻作為觀察材料的優(yōu)缺點(diǎn)。

第三組:菠菜葉下表皮。學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,評(píng)價(jià)以菠菜葉氣孔開閉為觀察對(duì)象開展實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)(氣孔開閉與細(xì)胞吸水和失水的關(guān)系,教師可提前鋪墊)。

第四組:蔗糖和氯化鈉對(duì)比。學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,評(píng)價(jià)蔗糖和氯化鈉作為實(shí)驗(yàn)試劑的優(yōu)缺點(diǎn)(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(fā)生質(zhì)壁分離時(shí)的異同及其原因)。

第五、六組:硝酸鉀溶液和尿素溶液。學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,評(píng)價(jià)硝酸鉀溶液和尿素溶液作為實(shí)驗(yàn)試劑的優(yōu)缺點(diǎn),以及不同濃度硝酸鉀溶液在發(fā)生質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離復(fù)原時(shí)的實(shí)驗(yàn)差異。

在學(xué)生展示過程中,教師進(jìn)行評(píng)價(jià)、指導(dǎo)和總結(jié)。通過實(shí)驗(yàn)、小組討論、分享交流,學(xué)生在實(shí)踐中體會(huì)到探究創(chuàng)新不能局限于課本,甚至文獻(xiàn)資料。在自身實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)資料結(jié)論進(jìn)行比較后,學(xué)生切身體會(huì)到不同實(shí)驗(yàn)材料和試劑在實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)相關(guān)知識(shí)理解更加透徹。如學(xué)生發(fā)現(xiàn)恰好發(fā)生質(zhì)壁分離的較低濃度的硝酸鉀溶液和尿素溶液更容易導(dǎo)致植物細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原,但質(zhì)壁分離現(xiàn)象沒有高濃度的溶液明顯。此過程也培養(yǎng)了學(xué)生質(zhì)疑、求實(shí)、創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。

【教師引導(dǎo)和小結(jié)】植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)與課堂最開始展示的白蘿卜塊實(shí)驗(yàn)有何異同?還可以進(jìn)一步得出怎樣的結(jié)論?引導(dǎo)學(xué)生得出:蘿卜塊大小的變化還體現(xiàn)出植物細(xì)胞壁也具有一定的伸縮性,而結(jié)合質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn),則說明原生質(zhì)層的伸縮性要大于細(xì)胞壁。不同分子進(jìn)出細(xì)胞的差別反映出細(xì)胞膜的選擇透過性。

引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)課程內(nèi)容,完成實(shí)驗(yàn)記錄,撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告,更進(jìn)一步理解和鞏固相關(guān)知識(shí)。

5.教學(xué)反思

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)不局限于教材案例,通過文獻(xiàn)資料查閱和分享,篩選典型文獻(xiàn)資料,探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),學(xué)生在參與中初步掌握了探究實(shí)驗(yàn)的基本過程和方法,培養(yǎng)了質(zhì)疑、求實(shí)、創(chuàng)新的科學(xué)探究精神和科學(xué)素養(yǎng)。

課堂重點(diǎn)體現(xiàn)學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng),從問題的提出、文獻(xiàn)資料的查閱、預(yù)實(shí)驗(yàn)、課題的確定到實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施,學(xué)生都充分發(fā)揮了主體作用。同時(shí)通過選用不同生物實(shí)驗(yàn)材料和試劑,加深了學(xué)生對(duì)“細(xì)胞膜選擇透過性”概念的理解。在對(duì)比探究中,學(xué)生對(duì)該節(jié)知識(shí)的掌握和理解也更加透徹,在思考和實(shí)踐中充分體會(huì)到探究實(shí)驗(yàn)的魅力和樂趣,切實(shí)培養(yǎng)了探索精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等。當(dāng)然,課程開展也存在改進(jìn)之處,如學(xué)生用PAD拍攝顯微鏡視野容易失焦,需要教師提前培訓(xùn),拍攝存儲(chǔ)的多張照片沒有及時(shí)標(biāo)注容易混淆等。