桂芳　秦凡

關(guān)鍵詞：設(shè)計實驗教學(xué)；科學(xué)思維；科學(xué)探究能力

文童編號：1003-7586（2024）01-0048-03 中圖分類號：G633.91 文獻標(biāo)識碼：B

科學(xué)思維和科學(xué)探究是高考評價體系的“四層”中生物學(xué)科“學(xué)科素養(yǎng)”中的2項重要內(nèi)容；實驗探究能力也是高考評價體系的“四層”中生物學(xué)科“關(guān)鍵能力”之一。生物實驗課是探究生物知識的重要途徑，開好生物實驗課可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生操作和思維能力，形成實事求是的科學(xué)態(tài)度和團結(jié)協(xié)作的精神。實驗教學(xué)設(shè)計是課堂實驗探究的主要載體，生物學(xué)必修1（人教版）第4章第1節(jié)“被動運輸”的第1課時中的“探究·實踐”部分，即“探究植物細胞的吸水和失水”這個內(nèi)容，如果老師進行合理地設(shè)計和引導(dǎo)，運用學(xué)生先探究后實踐、在實踐中再探究的模式，不僅可以強調(diào)基本知識、基本方法和基本規(guī)律，還可以引導(dǎo)學(xué)生自主探究和拓展創(chuàng)新，從而考查學(xué)生的生物實驗基本技能，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維，提升學(xué)生的科學(xué)探究及實驗探究能力。

1吃透教材，確定教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)設(shè)計思路

1.1教材分析

教材中關(guān)于“被動運輸”內(nèi)容的編寫，不管是哺乳動物紅的細胞還是成熟植物細胞，都在引導(dǎo)學(xué)生確定“半透膜”在哪里，然后再分析“半透膜”兩側(cè)存在濃度差會怎樣。其目的是期望學(xué)生在動植物細胞中找到“滲透裝置”。基于這樣的考慮，教材提出了原生質(zhì)層的概念，雖然原生質(zhì)層不是被普遍接受的術(shù)語，但用在此處能言簡意賅地說明成熟植物細胞可以構(gòu)成一個滲透系統(tǒng)。所以學(xué)生要先構(gòu)建“原生質(zhì)層”這一概念，為后續(xù)實驗“探究植物細胞的吸水和失水”奠定基礎(chǔ)。

1.2教學(xué)目的

1.2.1知識目標(biāo)

（1）構(gòu)建擴散、滲透作用和原生質(zhì)層的概念。

（2）用哺乳動物的紅細胞膜和成熟植物細胞的原生質(zhì)層類比半透膜，說明細胞通過滲透作用吸水或失水，闡明原生質(zhì)層的選擇透過性與質(zhì)壁分離及其復(fù)原的關(guān)系，并為后面構(gòu)建被動運輸?shù)母拍畹於己没A(chǔ)。

1.2.2素養(yǎng)目標(biāo)

（1）生命觀念——基于滲透作用發(fā)生的條件，利用結(jié)構(gòu)與功能觀，驗證動物細胞和探究植物細胞中的“滲透裝置”。

（2）科學(xué)思維——利用類比推理的方法分析細胞的“滲透裝置”；基于假設(shè)成立的基礎(chǔ)進行分析推理，進而預(yù)測實驗結(jié)果。

（3）科學(xué)探究——通過“探究植物細胞的吸水和失水”這個實驗，讓學(xué)生體驗和領(lǐng)悟科學(xué)探究的一般過程和方法，提高科學(xué)探究能力。

1.2.3能力目標(biāo)

實驗探究能力——通過“探究植物細胞的吸水和失水”這個實驗，提高實驗探究和設(shè)計能力。

1.3教學(xué)設(shè)計思路

如圖1所示。

2具體教學(xué)實施程序

2.1構(gòu)建擴散和滲透作用的概念，說明水進出細胞的原理

情境創(chuàng)設(shè)——滲透作用現(xiàn)象的微課

2.1.1提出問題

水分子通過細胞膜進出細胞也是同樣的原理嗎？細胞膜相當(dāng)于一層半透膜嗎？

如果我們的回答是肯定的，那么只要把動物細胞放入濃度高于或者低于細胞質(zhì)濃度的外界溶液中，動物細胞與外界溶液之間就能形成一個滲透裝置，進而發(fā)生失水或者吸水。根據(jù)這樣的假設(shè)和推理分析，我們可以做實驗來驗證。

2.1.2實驗驗證——水進出哺乳動物紅細胞的微課

實驗證明動物細胞的失水和吸水原理就是滲透作用。那么植物細胞呢？它們的吸水和失水原理跟動物細胞相同嗎？我們可以先觀看一個生活中的做菜視頻，應(yīng)該能給出一定的答案。

設(shè)計意圖：生物學(xué)知識的獲取可以來源于生活實踐，更能服務(wù)于生活實踐。通過“水進出哺乳動物紅細胞”的微課，引導(dǎo)學(xué)生對植物細胞獲取水分的原理進行思考，并結(jié)合生活實踐體會，有利于幫助學(xué)生提高熱愛生活、珍愛生命、熱愛自然、崇尚科學(xué)的意識，進一步增加學(xué)生的求知欲望。

2.2探究植物細胞的吸水和失水

情境創(chuàng)設(shè)——腌蘿卜視頻

蘿卜在濃鹽水中失水，讓我們不禁猜測植物細胞應(yīng)該也是發(fā)生了滲透作用。如果這個猜測是對的，那么植物細胞中的滲透裝置又在哪里呢？植物細胞結(jié)構(gòu)與動物細胞結(jié)構(gòu)一樣嗎？

結(jié)構(gòu)認知——成熟植物細胞結(jié)構(gòu)的微課

通過微課可以了解植物細胞結(jié)構(gòu)往往比動物細胞復(fù)雜。對于成熟的植物細胞來說，由于液泡儲存了大量的水使得液泡膜和細胞膜之間的間隙非常小，在研究植物細胞吸水和失水時，我們可以將植物細胞簡化成“液泡一原生質(zhì)層一細胞外”這樣一個結(jié)構(gòu)?；谶@樣的認知，我們可以提出問題并大膽假設(shè)。

2.2.1提出問題

水分進出植物細胞是否也是通過滲透作用？結(jié)合植物細胞模式圖，思考原生質(zhì)層相當(dāng)于一層“半透膜”嗎？

2.2.2做出假設(shè)

水分進出植物細胞是通過滲透作用，原生質(zhì)層相當(dāng)于一層“半透膜”。

2.2.3演繹推理

如果原生質(zhì)層相當(dāng)于一層“半透膜”，那么當(dāng)外界溶液濃度高于細胞液濃度時，細胞就會失水；當(dāng)外界溶液低于細胞液濃度時，細胞就會吸水。

設(shè)計意圖：啟發(fā)學(xué)生通過結(jié)構(gòu)認知，獲取有效信息，調(diào)用儲備的知識，回憶探究性實驗的一般過程；引導(dǎo)學(xué)生思考，提出問題與假設(shè)，并進行思維建模和演繹推理，明確實驗?zāi)康?，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2.2.4實驗設(shè)計思路

（1）選擇合適材料。

外界溶液的溶度可以人為控制，這時最關(guān)鍵的就是尋找一個合適的觀察指標(biāo)，用于確認細胞的失水和吸水。結(jié)合植物細胞的模式圖思考，選擇什么樣的植物細胞合適？紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞滿足上述觀察指標(biāo)的要求，因為它的液泡中含有紫色的色素，失水后色素濃度會增大，紫色加深，范圍變??；吸水后色素濃度會降低，紫色變淡，范圍變大。

深度思考：是否可以選擇使用其他有顏色的植物細胞？請舉例？如果選用沒有顏色的成熟植物細胞（例如洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞），該如何處理？（可同時做實驗對比驗證）

（2）擬定重要實驗步驟。

①如何創(chuàng)設(shè)細胞外界高濃度溶液條件？滴加0.3g/mL的蔗糖溶液（聯(lián)系涼拌西紅柿的操作過程），觀察植物細胞的失水。

深度思考：蔗糖濃度能更高嗎？會有什么結(jié)果？（可同時做實驗對比驗證）

②如何創(chuàng)設(shè)細胞外界低濃度溶液條件？加清水稀釋蔗糖溶液，觀察植物細胞的吸水。

③確定觀察對象或指標(biāo)。

植物細胞在失水和吸水過程中哪些細胞結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯的變化？能否設(shè)計表格（如表1）記錄和比較（提示：細胞大小、原生質(zhì)層的位置、液泡顏色、液泡大小等）？

結(jié)合“原生質(zhì)層的位置”的預(yù)測描述，提出質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離復(fù)原的說法。

深度思考：以上設(shè)計的實驗步驟是運用了什么對照方法？自變量是什么？最主要的因變量是什么？

2.2.5制訂實驗步驟

如圖2所示。

設(shè)計意圖：在選材、步驟、觀察指標(biāo)的確定及深度思考問題串的設(shè)置中，引導(dǎo)學(xué)生提出困難或疑問，理解實驗步驟的設(shè)計原理，然后集中問題進行自主討論、展示探究方案。學(xué)生勇于領(lǐng)取任務(wù)，體驗了科學(xué)探究的方法和一般過程，提升了科學(xué)探究能力，進行了科學(xué)探究思維建模。培養(yǎng)學(xué)生的區(qū)域認知和提升學(xué)生的科學(xué)思維。

2.2.6實驗拓展與預(yù)測

（1）材料的思考——還可以選擇哪些有顏色的成熟植物細胞？請舉例。如果選用沒有顏色的成熟植物細胞（例如洋蔥內(nèi)表皮細胞），該如何處理？并進行實驗的預(yù)測（見表2）。

（2）溶液濃度的思考——蔗糖濃度的改變（過低或者過高）會影響實驗的結(jié)果嗎？預(yù)測實驗結(jié)果。

（3）溶液種類的思考——可以選擇其他溶液（例如0.06g/mL的硝酸鉀溶液、2.5%的NaCl溶液、0.5g/mL的葡萄糖溶液）做該實驗嗎？會有什么不同的結(jié)果？請依照表2進一步完善記錄表格，進行實驗結(jié)果的預(yù)測。

這些結(jié)果都是基于假設(shè)成立下的理論分析和推理，真正的實驗結(jié)果還需要去實驗室進一步探究，從而驗證假設(shè)是否正確，進而理解植物細胞的失水和吸水原理，更一步學(xué)習(xí)水分跨膜的運輸方式及特點。

設(shè)計意圖：繼續(xù)設(shè)置問題串，將實驗進行拓展，發(fā)散學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生進行實驗的興趣和欲望，為第二課時更好地探究和實驗做好鋪墊。從微專題探究實驗出發(fā)，以小見大，幫助學(xué)生進階，進一步落實核心素養(yǎng)。同時，表格的設(shè)計可以鍛煉學(xué)生科學(xué)處理和分析數(shù)據(jù)的能力。

2.2.7小結(jié)探究實驗的一般流程

2.2.8實施實驗過程

課堂中采取小組合作、自主探究的模式，小組各成員分工合作，根據(jù)實驗方案進行自主探究。教師巡視學(xué)生做實驗的情況，適時指導(dǎo)，及時評價鼓勵。與此同時，教師還要指導(dǎo)學(xué)生客觀記錄實驗現(xiàn)象和填寫設(shè)計的表格，引導(dǎo)學(xué)生分析結(jié)果，得到實驗結(jié)論。最后再進行表達和交流，并生成新的探究。例如：參考這個實驗方案，能否設(shè)計實驗，測定該細胞細胞液的濃度相當(dāng)于多少質(zhì)量分數(shù)的蔗糖溶液，寫出大致的實驗思路并進一步探究。

設(shè)計意圖：小組合作的形式能夠鍛煉學(xué)生團結(jié)協(xié)作的能力，培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)協(xié)作的意識以及人際交往的能力，促進學(xué)生共同發(fā)展。將探究活動的主動權(quán)交給學(xué)生，以提高實驗教學(xué)的有效性，先探究后實踐、在實踐中再探究，樹立大科學(xué)觀，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度、良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高其科學(xué)素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。

3基于提升創(chuàng)新能力和生物學(xué)科素養(yǎng)的教學(xué)反思

本節(jié)課還存在值得商榷的地方：設(shè)計探究后實踐、在實踐中再探究的實驗教學(xué)過程至少需要2課時，而“被動運輸”這整節(jié)內(nèi)容參考課時是2課時，所以在實施過程中會有課時的限制和約束，有可能缺乏推廣性；在材料選擇與某些實驗步驟設(shè)計上還可以做些改良，期望學(xué)生有更大的收獲，使學(xué)生對探究實驗設(shè)計有更濃厚的興趣，創(chuàng)新能力有所提升，生物學(xué)科素養(yǎng)等得到更有效地培養(yǎng)和提升。