基于文献拓展的实验课设计——以“探究植物细胞的吸水和失水”为例

吴红胜 李胜杰

(1.华中师范大学第一附属中学 2.长江大学)

1.教材及学情分析

1.1教材分析“探究植物细胞的吸水和失水”实验是人教版高中生物必修1第4章第1节的内容,为第3章第1节《细胞膜的结构与功能》的知识延续,是本节“被动运输”概念的实践铺垫。该实验是高中阶段的第一个“探究性”实验,除帮学生理解质膜(细胞膜)的选择透过性作用之外,教材重点展示了探究性实验的一般流程,旨在让学生初步掌握科学探究的思维和方法,为今后的探究活动打下基础。

配套教师用书中也特别强调:“《探究植物细胞的吸水和失水》是一个要求学生全程进行探究的实验,目的是通过这个实验,让学生进一步学习科学探究的一般方法。因此,该探究方案中所提供的案例是用作参考的,教学中不要照搬‘参考案例’,把探究实验变成验证实验。”

1.2学情分析学生已经掌握植物细胞的结构和动物细胞发生渗透吸水和失水的原理,了解临时装片的制作和显微镜的使用等,这些知识和技能为学生完成本节课的探究过程奠定了良好的基础。但绝大多数学生探究思维不成熟,实验技能训练不足,在有限的课堂时间内,较难独立完成全部探究实验,“小组合作”的方式较适合现阶段学生。

因此,为顺利推进教学过程,部分教学活动组织形式:课前查阅资料小组讨论动手实验再讨论小组总结全班展示、交流。

2.教学目标

2.1生命观念通过实验树立“结构决定功能”的生命科学观念,并能够以该生命观念为基础更好地理解“植物细胞渗透吸水和失水”这一生命现象,理解植物细胞质膜的选择透过性作用。

2.2科学思维科学探究思维和批判性思维得到训练。

2.3科学探究初步具备发现问题、提出问题、作出假设、设计实验的能力,以及结合探究思维,拓展创新教材实验的能力。熟练掌握质壁分离及复原实验的实验操作。

2.4科学实践能够解释生活中的植物吸水和失水现象,体会科学在生活中的力量。学科兴趣和好奇心、实事求是和富于探索的科学精神得到增强。学会分工合作,与他人分享实验成果,培养团队合作精神。

3.教学准备

教师研究教材、引导学生课前查阅相关文献资料,对实验材料、试剂及试剂浓度进行预实验,为学生提供多个预选方案。

课程中还使用电子白板与平板电脑(PAD)交互辅助教学。课前几分钟培训学生掌握PAD拍摄显微镜视野图像和连接电子白板分享图片等技能。

用具与实验材料

实验用具:普通光学显微镜、刀片、镊子、滴管、打孔器、载玻片、盖玻片、吸水纸等。

生物材料:紫色洋葱鳞片叶、轮叶黑藻、菠菜叶、叶子花、碧冬茄、一串红、白萝卜。其中部分植物来源于校园植物,充分利用校内资源开展实验。

溶液试剂:质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液;不同质量浓度NaCl溶液:0.025 g/mL、0.05 g/mL、0.1 g/mL;不同质量浓度KNO3溶液:0.05 g/mL、0.08 g/mL;质量浓度为0.15 g/mL的尿素溶液;红墨水、清水。

4.教学过程

【教师引导】通过列举生活实例,引入细胞失水和吸水现象:如萎蔫的蔬菜被喷水后变得硬挺;大白菜剁馅加盐后析出水分;农作物施肥过多,造成烧苗现象。

通过类比推理,比较植物细胞水分进出与上节课所学动物细胞水分进出的异同,引导学生思考:在植物细胞的渗透吸水和失水过程中,什么结构相当于半透膜?进而引导学生得出“植物细胞的原生质层相当于一层半透膜”。培养学生结构与功能相适应的生命观念。

【学生参与】通过查阅分享文献,教师演示白萝卜块的吸水和失水实验。将白萝卜块分区并打孔,将不同萝卜圆块分别放于清水和蔗糖溶液中一段时间,再放回原位置,让学生观察现象(注:课前10 min准备)。蔗糖溶液中放置一段时间的萝卜块很容易穿过原来的孔,而清水中的萝卜块则较难穿过原来的孔。学生既直接观察到植物细胞失水和吸水现象,同时也感受到查阅文献在助力科学研究和实验中的作用。教师还可引导学生思考,此实验设计有哪些优缺点,又可以如何改进。

【教师引导】教师计算配制100 mL 0.3 g/mL蔗糖溶液需要的蔗糖量,盛于量筒展示给学生。得出:如配制500 mL溶液,所需蔗糖量约占一瓶矿泉水体积的1/3。学生意识到配制0.3 g/mL(30 g/100 mL)的蔗糖溶液供全班同学做实验,实际需要消耗大量蔗糖,帮助学生建立节约和环保的意识。此处也为后续探究利用不同实验试剂开展细胞吸水和失水实验的优缺点打下基础。

【学生参与】分享并分析前期查阅的相关文献,师生共同探讨如何改进实验材料,以及好的实验材料应该具有哪些特征:(1)材料易获取;(2)装片易制作;(3)观察易进行。

学生又从“容易观察”的角度,结合多个文献分析得出实验材料还需要满足的条件或者其他观察细胞吸水和失水的实验方法:(1)液泡较大且有较深颜色(例如:洋葱鳞片叶外表皮);(2)细胞质基质中叶绿体颜色(例如:轮叶黑藻);(3)细胞质无色+外界溶液有颜色(例如:洋葱鳞片叶内表皮+红墨水);(4)植物气孔开闭(菠菜叶的气孔)。学生往往还能给出许多其他答案,教师可以引导学生对答案的合理性进行分析。

此过程培养了学生的科学探究精神和批判性思维,明白实验材料可以不局限于教材案例,甚至文献案例,应该结合思考和实践探索进行创新。

【教师引导】结合文献分享,师生共同探讨改进实验试剂。教师引导学生思考:(1)为什么要对0.3 g/mL的蔗糖进行改进:①蔗糖有黏性,易污染显微镜镜头和实验台;②蔗糖溶液浓度高,耗费量大,有浪费之嫌。(2)如何对0.3 g/mL的蔗糖进行改进:①结合文献资料,探讨使用不同浓度的NaCl溶液替代蔗糖溶液的可行性;②铺垫植物细胞可以吸收K+和尿素等知识,引导学生思考用KNO3或尿素溶液做质壁分离实验可能发生的质壁分离自动复原现象。

【学生参与】和老师一起分析文献资料,学生在此过程中思维得到发散,同时意识到创新并不是盲目的,查阅文献是很好的参考途径,但要结合所学知识并独立思考。在教师的引导下,学生还会深入思考,选择什么浓度的KNO3或尿素溶液更容易发生质壁分离自动复原现象,进一步强化了学生的科学探究精神和批判性思维。

【教师引导】组织学生实验与实验结果展示、交流。(1)组织小组分工:全班同学分材料组(1、2、3小组采用不同材料,试剂主要用0.3 g/mL蔗糖溶液)和试剂组(4、5、6小组采用不同试剂,材料主要用洋葱外表皮)两个大组,6个小组。(2)引导6个小组开展实验,分享、评价、分析实验结果。(3)指导实验结论。

【学生参与】小组分工合作探究,实验结束后学生陈述实验历程,分析实验结果,得出实验结论。

(1)小组分工合作探究(1、2、3小组除采用洋葱、轮叶黑藻、菠菜之外,也可以采用校园植物如叶子花、碧冬茄、一串红):

小组分工表

(2)进行实验,记录结果。

(3)六个小组分别讨论实验结论,组长展示实验结果并总结。

学生利用PAD和电子白板分享实验结果和结论:

第一组:洋葱内、外表皮比较。学生展示实验结果,评价洋葱鳞片叶内、外表皮作为实验观察材料的优缺点。

第二组:轮叶黑藻。学生展示实验结果,评价轮叶黑藻作为观察材料的优缺点。

第三组:菠菜叶下表皮。学生展示实验结果,评价以菠菜叶气孔开闭为观察对象开展实验的优缺点(气孔开闭与细胞吸水和失水的关系,教师可提前铺垫)。

第四组:蔗糖和氯化钠对比。学生展示实验结果,评价蔗糖和氯化钠作为实验试剂的优缺点(注:第4小组尝试不同浓度NaCl溶液,观察效果,并和0.3 g/mL的蔗糖溶液做比较,尝试分析不同浓度和不同溶液在发生质壁分离时的异同及其原因)。

第五、六组:硝酸钾溶液和尿素溶液。学生展示实验结果,评价硝酸钾溶液和尿素溶液作为实验试剂的优缺点,以及不同浓度硝酸钾溶液在发生质壁分离和质壁分离复原时的实验差异。

在学生展示过程中,教师进行评价、指导和总结。通过实验、小组讨论、分享交流,学生在实践中体会到探究创新不能局限于课本,甚至文献资料。在自身实验结果与文献资料结论进行比较后,学生切身体会到不同实验材料和试剂在实验中的优缺点,对相关知识理解更加透彻。如学生发现恰好发生质壁分离的较低浓度的硝酸钾溶液和尿素溶液更容易导致植物细胞发生质壁分离自动复原,但质壁分离现象没有高浓度的溶液明显。此过程也培养了学生质疑、求实、创新的科学态度。

【教师引导和小结】植物细胞的质壁分离和复原实验与课堂最开始展示的白萝卜块实验有何异同?还可以进一步得出怎样的结论?引导学生得出:萝卜块大小的变化还体现出植物细胞壁也具有一定的伸缩性,而结合质壁分离和复原实验,则说明原生质层的伸缩性要大于细胞壁。不同分子进出细胞的差别反映出细胞膜的选择透过性。

引导学生小结课程内容,完成实验记录,撰写实验报告,更进一步理解和巩固相关知识。

5.教学反思

本节教学设计不局限于教材案例,通过文献资料查阅和分享,筛选典型文献资料,探索创新实验设计,学生在参与中初步掌握了探究实验的基本过程和方法,培养了质疑、求实、创新的科学探究精神和科学素养。

课堂重点体现学生自主探究能力的培养,从问题的提出、文献资料的查阅、预实验、课题的确定到实验方案的设计与实施,学生都充分发挥了主体作用。同时通过选用不同生物实验材料和试剂,加深了学生对“细胞膜选择透过性”概念的理解。在对比探究中,学生对该节知识的掌握和理解也更加透彻,在思考和实践中充分体会到探究实验的魅力和乐趣,切实培养了探索精神、团队协作精神等。当然,课程开展也存在改进之处,如学生用PAD拍摄显微镜视野容易失焦,需要教师提前培训,拍摄存储的多张照片没有及时标注容易混淆等。