甘肅省高臺縣第一中學(xué)(734300) 羅福海
STEM教育是基于真實(shí)問題情景,促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)的跨學(xué)科教育,有助于培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)?!疤骄恐参锛?xì)胞的吸水和失水”是必修1新教材第4章“細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出”中的一個重要探究實(shí)驗(yàn),涵蓋了滲透吸水、失水原理等重要知識點(diǎn),是中學(xué)生物教學(xué)的一個重難點(diǎn)。此實(shí)驗(yàn)中的原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、裝置改進(jìn)和數(shù)據(jù)分析是開發(fā)STEM研究型課程的良好素材,具備與STEM教育理念無縫融合的優(yōu)勢。該項(xiàng)目融入STEM教育理念的教學(xué)目標(biāo)分析見表1。
表1 “探究植物細(xì)胞的吸水和失水”STEM教學(xué)目標(biāo)
本實(shí)驗(yàn)用到的材料為馬鈴薯,其他材料如蘿卜、梨、菜瓜等也可以。在實(shí)驗(yàn)過程中用到的試劑和儀器包含膠水、蔗糖、紅墨水、橡皮塞、清水、打孔器、5個細(xì)口瓶、刀片、1個100 mL燒杯以及若干個50 mL燒杯、牙簽、玻璃棒、毛細(xì)吸管,其中毛細(xì)吸管可用空圓珠筆芯或吸管等替代。
用刀片將馬鈴薯進(jìn)行切割,得到寬為試管半徑一半左右、長為試管高度1/3~2/3的馬鈴薯長條。將馬鈴薯長條置入下文配置的溶液中使用。
圖1 簡易裝置
在橡皮塞大約中間的位置使用打孔器打孔,把毛細(xì)吸管插入孔中,至橡皮塞下方露出大約0.5 cm的距離為宜。毛細(xì)吸管的四周使用膠水密封,將少量紅墨水注入位于橡皮塞上方的毛細(xì)吸管中,作為指示液柱。在橡皮塞下方插入能固定馬鈴薯長條的牙簽,將其塞入細(xì)口瓶當(dāng)中,檢查氣密性。若出現(xiàn)漏氣情況,繼續(xù)滴加膠水進(jìn)行密封,當(dāng)整個裝置不再出現(xiàn)漏氣情況時,便制得了本次實(shí)驗(yàn)的簡易裝置(見圖1)。依次制作5套這樣的簡易裝置備用。
在容量為100 mL燒杯中置入50 g左右的蔗糖,然后加清水至燒杯刻度線,使用玻璃棒進(jìn)行攪拌。在50 mL燒杯中置入上述制備好的溶液50 mL左右,將其標(biāo)記為1號溶液;繼續(xù)將清水注入到之前的100 mL燒杯中,使得溶液達(dá)到刻度線標(biāo)準(zhǔn),攪拌均勻后倒出50 mL左右的溶液置入50 mL的燒杯中,將其標(biāo)記為2號溶液。依此方法繼續(xù)得到3~8號溶液備用。
在圖1所示的簡易裝置中置入4號溶液,把馬鈴薯?xiàng)l固定到牙簽上浸入到液體中,蓋緊。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5~10 min后,對紅墨水的指示液柱進(jìn)行觀察:若指示液柱上移,證明細(xì)胞失水,表明外界溶液的濃度高于細(xì)胞液濃度,應(yīng)使用較低濃度溶液,即5號與6號溶液。若指示液柱出現(xiàn)下移情況,則應(yīng)使用較高濃度的溶液,即2號與3號溶液。當(dāng)指示液柱位置沒有發(fā)生太大變化時,則證明此溶液為等滲溶液。在本次實(shí)驗(yàn)中,由于使用材料的差異和人為制定溶液的原因,會出現(xiàn)液體濃度不一的狀況,也有可能在實(shí)驗(yàn)的8種液體中未出現(xiàn)等滲溶液,這時就需要在實(shí)驗(yàn)溶液中繼續(xù)稀釋,尋找和篩選等滲溶液。將滿足實(shí)驗(yàn)條件的等滲溶液標(biāo)記為丙,濃度最高的溶液標(biāo)記為甲,甲至丙之間的溶液標(biāo)記為乙,小于丙溶液濃度的液體標(biāo)記為丁,清水為戊,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
教材中本實(shí)驗(yàn)是通過在低倍顯微鏡下觀察洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞在清水和蔗糖溶液中的液泡大小、原生質(zhì)層的位置來進(jìn)行細(xì)胞吸水和失水狀態(tài)的判斷。改進(jìn)后整個實(shí)驗(yàn)過程中不需要顯微鏡來觀察,而是通過肉眼觀察液滴移動就可以判斷,大大簡化了實(shí)驗(yàn),更直觀地展現(xiàn)了植物吸水和失水的動態(tài)過程。同時改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)通過對等滲溶液的篩選,讓學(xué)生從實(shí)質(zhì)上理解植物細(xì)胞吸水和失水的原理。
將制得的5套相同簡易裝置準(zhǔn)備好,在5套裝置中分別置入甲至戊5種溶液,蓋緊,標(biāo)記液滴起始位置,對紅墨水的指示液柱進(jìn)行觀察。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了5~10 min后,觀察液滴的移動情況,并用手觸摸辨別馬鈴薯?xiàng)l的差異。
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)操作,觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,不同溶液中液滴移動情況及馬鈴薯?xiàng)l的變化見表1。
圖2 細(xì)胞吸水和失水時的液滴移動情況
編號指示液柱移動方向指示液柱移動幅度馬鈴薯?xiàng)l形狀用手膜感覺差異甲上大彎曲軟乙上較大彎曲較軟丙不動無不變形無變化丁下較大挺直較硬戊下大挺直較硬
通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知:植物細(xì)胞存在吸水和失水兩種狀態(tài);吸水和失水是動態(tài)變化的,其速度的快慢由細(xì)胞液和外界溶液的濃度差的大小來決定。當(dāng)外界溶液的濃度大于細(xì)胞液濃度時,植物細(xì)胞失水,當(dāng)外界溶液的濃度小于細(xì)胞液濃度時,植物細(xì)胞吸水,當(dāng)外界溶液的濃度等于細(xì)胞液濃度時,植物細(xì)胞達(dá)到滲透平衡。
本次實(shí)驗(yàn)可以從對項(xiàng)目和對學(xué)生兩個方面進(jìn)行評價(jià)。通過反思,自我提升,促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。相關(guān)評價(jià)內(nèi)容及指標(biāo)見表2。
表2 實(shí)驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)
本實(shí)驗(yàn)從學(xué)生項(xiàng)目化探究活動出發(fā)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。通過多學(xué)科知識融合改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)方式,增加學(xué)科的教學(xué)內(nèi)涵,促進(jìn)學(xué)生高階思維和創(chuàng)新能力發(fā)展,為提升學(xué)科核心素養(yǎng)找到了有效“固著點(diǎn)”。當(dāng)然本實(shí)驗(yàn)還可以通過橫向比較不同實(shí)驗(yàn)材料的吸水、失水情況,如分組比較馬鈴薯、蘿卜、菜瓜在上述溶液中發(fā)生滲透現(xiàn)象時液柱的移動幅度、最終的形狀、手感等,找到最適合的材料,進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)探究和選材的工程素養(yǎng)。