“植物對水分的吸收和利用”一節(jié)的教學(xué)新嘗試

黃玉陽

【摘 要】本節(jié)教學(xué)中，以設(shè)計一系列與生活和生物相關(guān)的實驗為前提，預(yù)設(shè)相關(guān)學(xué)科問題，引導(dǎo)學(xué)生收集相關(guān)資料，運(yùn)用各個相關(guān)學(xué)科知識分析和討論實驗現(xiàn)象，總結(jié)實驗結(jié)果。讓學(xué)生學(xué)會初步實施實驗、分析實驗，學(xué)會學(xué)科交叉分析生命運(yùn)動及社會歷史相關(guān)現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】學(xué)科思維 ?滲透運(yùn)動 ?分子擴(kuò)散 ?降雨量

【中圖分類號】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2015）12B-0059-02

從事多年的生物教學(xué)工作中，筆者注意總結(jié)科學(xué)發(fā)展史，生物學(xué)中每個偉大成就的發(fā)現(xiàn)，特別近代史上的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，無不體現(xiàn)出多學(xué)科思想結(jié)合的結(jié)果，特別是數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)等學(xué)科的綜合思想。一般來說，以數(shù)學(xué)作為通用工具，以物理和化學(xué)作為實驗手段來分析生命現(xiàn)象。同時，在教學(xué)中，筆者有機(jī)會接觸一些發(fā)達(dá)國家的老師和學(xué)生，發(fā)現(xiàn)他們跨學(xué)科思維比較活躍。在交談和收集的資料中發(fā)現(xiàn)他們的教材和自然科學(xué)的教育方式跟我們有較大的差異。以美國為例，在基礎(chǔ)教育的七、八、九年級，他們的物理、生物、化學(xué)合為一本書，一般叫科學(xué)，他們的科學(xué)老師往往可以同時上物理、生物、化學(xué)。還有美國的SAT教材（美國的大學(xué)考試教材）也是這三個科合在一起的。這樣的教材和上課形式把各個學(xué)科的思維綜合在一起統(tǒng)一到自然科學(xué)中，因此理科思維的綜合能力比較強(qiáng)，能站在比較高的思維高度來看待生物的運(yùn)動規(guī)律，容易發(fā)現(xiàn)生物問題，引起新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

相比之下，我國現(xiàn)在一般各科教材分開，各科老師也各自強(qiáng)調(diào)學(xué)生對自己學(xué)科的學(xué)習(xí)，而且各科之間存在時間的競爭。我們比較少關(guān)注各學(xué)科之間的有機(jī)聯(lián)系，即各學(xué)科之間的相互作用和互相影響的關(guān)系，以及各學(xué)科綜合思維對學(xué)生科研思維發(fā)展的良好作用。

為此筆者利用這節(jié)課，設(shè)計一系列實驗，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科綜合思維分析生物的一個基本運(yùn)動—— 水分在細(xì)胞內(nèi)外的運(yùn)動的方式和特點，讓學(xué)生初步進(jìn)行跨學(xué)科思維。

一、教材分析及教學(xué)設(shè)計

高中生物人教版教材必修本第一冊第三章中的“植物對水分的吸收和利用”，包括水分的吸收、運(yùn)輸、散失等理論以及水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用規(guī)律和水在社會發(fā)展中的影響等。本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)習(xí)“植物光合作用”后進(jìn)行的，因為植物光合作用需要水作為原料，與進(jìn)一步學(xué)習(xí)水分的代謝相關(guān)內(nèi)容有關(guān)，同時，水分代謝又是下一節(jié)“植物礦質(zhì)元素代謝”的知識基礎(chǔ)。

本節(jié)教材連接初中植物學(xué)知識。植物的營養(yǎng)器官根是吸收水的主要器官，學(xué)習(xí)根尖的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)出學(xué)習(xí)水分進(jìn)出細(xì)胞的主要方式—— 滲透作用（滲透運(yùn)動），隨后指出植物細(xì)胞是一個滲透系統(tǒng)。接著講水的運(yùn)輸及運(yùn)輸?shù)脑?，水的蒸騰作用及蒸騰對植物生長的必要性。最后論述理論在生產(chǎn)上的應(yīng)用和意義。

本節(jié)課以探究實驗作為線索貫穿整個教學(xué)過程。課前布置學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)實驗內(nèi)容，并且分為若干實驗組，以組作為單位實驗、研究、討論。

教材實驗有：（1）參透作用演示實驗;（2）細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原實驗。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要，筆者增設(shè)了幾個小實驗：（1）蘿卜條浸泡在清水和30%蔗糖溶液中的對比實驗;（2）觀察雞血正常紅細(xì)胞和浸泡在清水中的對比實驗;（3）課外實驗，每組找兩顆小植物，分別澆清水和海水的對比實驗。

首先讓學(xué)生完成實驗，記錄實驗現(xiàn)象，并盡可能提出相關(guān)問題。老師發(fā)放實驗現(xiàn)象預(yù)設(shè)的各個問題。學(xué)生以組為單位思考、研究、討論，總結(jié)結(jié)論，或?qū)ふ腋鞣N相關(guān)信息資源，比如可在網(wǎng)上搜索資料解決老師預(yù)設(shè)問題或自己所提的問題。

然后在課堂上先找出實驗中出現(xiàn)的各種錯誤的現(xiàn)象，歸納生物實驗一般方法。接著一起討論相關(guān)問題，尋找問題答案。

二、教學(xué)目標(biāo)

（一）知識目標(biāo)

學(xué)生能運(yùn)用物理和化學(xué)相關(guān)分子熱運(yùn)動理論說明植物細(xì)胞吸收水和失去水的滲透作用原理;理解水分運(yùn)輸?shù)膭恿?水分散失及其對全球水循環(huán)的意義;水分代謝在生產(chǎn)中應(yīng)用。

（二）能力目標(biāo)

學(xué)生初步進(jìn)行生物實驗操作能力，設(shè)計實驗?zāi)芰?學(xué)習(xí)從實驗現(xiàn)象中提出問題，思考問題能力;初步運(yùn)用學(xué)科交叉思維能力。

（三）生活目標(biāo)

在實驗、討論中學(xué)會個人在團(tuán)隊中的合作方法，體會團(tuán)隊合作的優(yōu)勢;水問題不僅是農(nóng)業(yè)上重大問題，也是一個世界性的生態(tài)問題，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注中國和世界范圍人類共同所面臨的問題，從而形成科學(xué)生態(tài)價值觀，激發(fā)學(xué)生的使命感。

三、教學(xué)過程

實驗室準(zhǔn)備好各種相關(guān)材料：半透膜用玻璃紙，蔗糖，蒸餾水，洋蔥，已經(jīng)處理分層好的雞血，吸水紙，顯微鏡，蘿卜條，刀片等。學(xué)生用一個課時完成實驗。做完實驗后老師給每組分發(fā)一系列關(guān)于相關(guān)實驗的問題。

第二課時開始，由學(xué)生先展示課外實驗，討論總結(jié)實驗不規(guī)范的操作：（1）切蘿卜條大小不一;（2）兩顆植物大小差別大;（3）兩顆植物是不同種的?？偨Y(jié)出生物實驗一個基本原則是：唯一變量。

接著班上集體討論預(yù)設(shè)問題：

（1）溶液液面逆重力上升是否違反了物理學(xué)原理？那里上升的動力是什么？請聯(lián)系物理學(xué)中布朗運(yùn)動的原理和化學(xué)中溶液擴(kuò)散現(xiàn)象。

答：沒有違反物理學(xué)原理。水分子在特殊結(jié)構(gòu)—— 半透膜兩邊擴(kuò)散運(yùn)動是液面上升的動力。

（2）蔗糖溶液液面會不斷上升嗎？膜兩邊濃度會變得相等嗎？為什么？

答：觀察到溶液液面上升到一定程度就停止了。膜兩邊濃度永不相等，因為蔗糖分子不能到下面的水溶液。

（3）請問溶液液面上升過程中有什么物理量發(fā)生改變？當(dāng)液面停止時水分子微觀運(yùn)動是什么樣的狀態(tài)？

答：蔗糖溶液液面上升，會產(chǎn)生重力，在重力作用下減慢了水分子向上運(yùn)動的速度，加快水分子向下運(yùn)動的速度。當(dāng)向上和向下運(yùn)動速度相等時，溶液液面停止不動了。

（4）所有的洋蔥細(xì)胞都發(fā)生質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象嗎？這說明細(xì)胞有什么差別？

答：這說明細(xì)胞是一個滲透結(jié)構(gòu)，并且細(xì)胞的濃度是有差異的，發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞濃度較低，沒有發(fā)生的細(xì)胞濃度較高。

（5）在清水的蘿卜條變硬了，而在30%的蔗糖溶液的變軟了的原因是是什么？

答：細(xì)胞失水后，細(xì)胞中出現(xiàn)了很大的“空隙”，因此細(xì)胞間有了“活動空間”，所以蘿卜條變軟彎曲。而細(xì)胞吸水后，整個細(xì)胞充水膨脹，飽滿，細(xì)胞間沒有可活動的空間，所以蘿卜條變硬。

（6）澆海水的植株第二天變黃死了說明什么？結(jié)合質(zhì)壁分離說明植物吸水的生理特點是什么？

答：這說明植物失水死亡;說明了植物吸水是一個被動的生理過程，吸水或失去水決定于濃度差。

（7）由雞血實驗說明動物細(xì)胞發(fā)生滲透作用嗎？為什么在清水中紅細(xì)胞會破裂？

答：這說明動物細(xì)胞也發(fā)生滲透作用。因為沒有細(xì)胞壁的限制作用，動物細(xì)胞吸水過度漲破。

（8）討論到這里先播放一段影像資料：天山山脈優(yōu)美的景象，在山脈中部連綿不斷的云杉林，這里被國家地理評為中國最美的森林。云杉是我國最高的植物，一般有60米。接著播放一段長城內(nèi)外的森林和草原風(fēng)光。請問水到達(dá)60米高的樹頂?shù)膭恿κ菨B透作用嗎？這個動力最終來源哪里？

答：是的。蒸騰作用使葉細(xì)胞的濃度最高，然后是莖，最后是根，形成了細(xì)胞間濃度梯度差，水能從下滲透向上了。因此光能是最終動力來源。所以運(yùn)輸動力決定于外來的因素。因此植物生長可加速水的循環(huán)。

（9）由水分吸水和運(yùn)輸動力的特點說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和高大喬木生長的自然條件是什么？為什么天山山脈只有中部山腰長森林，而山頂和山下沒有。

答：水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根本條件，必需有充足的水森林才可以生長。天山頂有固態(tài)的水而無液態(tài)的水，而水流動到山腳已經(jīng)很少了，不足以滿足森林生長了。

（10）長城的位置基本上與400mm降雨量吻合，這在生物學(xué)上說明什么？

答：長城內(nèi)降雨量大于400mm，森林可生長，可進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。長城外降雨量在200— 400mm之間，是牧草生長區(qū)，自能進(jìn)行牧業(yè)生產(chǎn)。長城其實是農(nóng)業(yè)社會和牧業(yè)社會的分界線。

（11）國家發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)布局與水的關(guān)系。

答：這是一個課外大問題，感興趣的學(xué)生自己了解。

在解決預(yù)設(shè)問題的同時，學(xué)生在這個過程中產(chǎn)生有各種自己的問題，有些可當(dāng)場討論解決，有的無法解決。下面列舉一些學(xué)生自己產(chǎn)生的問題：

（1）溶液分子為什么永不停息地運(yùn)動？

答：這個無法很清楚說明。這與分子間引力和斥力，還有分子勢能等有關(guān)。建議和物理老師交流。

（2）磷脂為什么形成雙分子層？

答：這與分子間親和力有關(guān)，高中階段無法理解得很清楚。

（3）為什么我們?nèi)ズ＠镉斡静粫溃?/p>

答：因為我們表皮有角質(zhì)層保護(hù)，我們的細(xì)胞不直接和海水相接觸。

（4）為什么我們這里海岸線有那么多樹林（紅樹林）生長，而沒有因海水而失水？

答：紅樹林有特殊的結(jié)構(gòu)和生理適應(yīng)海水能力。比如有分泌的鹽的腺體，能儲存大量的空氣等。

（5）全球變暖，我國新疆等地會發(fā)生什么變化？

答：可能冰川溶解，那里失去了生物生存的基本條件—— 水。

四、課后總結(jié)

在教學(xué)過程中，注意觀察每組實驗情況，每組在討論中發(fā)表見解的狀況，課后分別調(diào)查他們對這節(jié)課的評價和意見。

（一）問題反思

有部分組做的實驗很混亂，互相配合的團(tuán)隊能力比較低，有些生物基本實驗?zāi)芰Χ紱]有。這反應(yīng)我們一些學(xué)生的動手能力低。

約三分之一的組從實驗到討論問題都處在被動的狀態(tài)，另三分之一的組比較活躍。開始討論比較艱難，思維無法連接上。需要慢慢復(fù)習(xí)物理知識引導(dǎo)。

部分同學(xué)適應(yīng)不了這種討論式的學(xué)習(xí)方法，要求老師用傳統(tǒng)的教學(xué)方法。

這節(jié)課用了三個多課時才完成，用時長。這樣無法按正常課時去授課，不能符合高考課時要求。

（二）良好的反應(yīng)

自始至終，有一部分學(xué)生很興奮，感覺很新奇，回答問題非常積極。這說明他們體會到多學(xué)科思維方式的綜合運(yùn)用的好處，理解了這個簡單的生理運(yùn)動是在特定條件下物理和化學(xué)運(yùn)動的結(jié)果，增強(qiáng)了學(xué)生科學(xué)的探索欲望，升華了他們對科學(xué)實驗的理解，開拓了他們的思維廣度，基本上達(dá)到預(yù)期教學(xué)設(shè)想。

通過這次探索增強(qiáng)了筆者教學(xué)的信心，也鼓舞了筆者繼續(xù)進(jìn)行新的探索。

【參考文獻(xiàn)】

[1]方許武.2012“植物細(xì)胞吸水和失水原因”一節(jié)教學(xué)難點的突破[J].生物學(xué)教學(xué)，37（5）

（責(zé)編 盧建龍）