“探究植物細胞的吸水和失水”實驗教學的創(chuàng)新、不足與展望

陳亮+郭巖麗

1 教學內(nèi)容

本節(jié)實驗課的教學策略為微課程-翻轉(zhuǎn)課堂教學法，根據(jù)教學內(nèi)容將本課課題確定為“植物細胞吸水和失水的再探究”（表1）。

2 微課的使用

高中生物概念教學具有較高的比重，很多概念比較抽象，學習難度較大，學生經(jīng)常提出一些重復性的問題，教師答疑量負擔很重。由于筆者對制作微課具有濃厚的興趣，所以平時錄制的微視頻上傳至個人微信公眾號“探尋生命奧秘”中，供學生課后自學和觀看，既降低了教師答疑量，又便于學生反復學習，一舉兩得。本節(jié)實驗課涉及的概念難度小、易理解，適合自學。筆者課前制作了四段微視頻，并且以Flash動畫作為素材錄制了旁白，便于學生更好地理解教學內(nèi)容。

3 本課若干重要問題的思考

3.1 植物材料的選擇

學生最初選擇了人口腔上皮細胞、菠菜葉肉細胞以及紫色洋蔥內(nèi)、外表皮細胞四種實驗材料，因為它們都曾出現(xiàn)在教材的其他實驗中。教師則考慮到本實驗所在的節(jié)標題為“物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗?，教學內(nèi)容理應包含動物細胞的吸水和失水。但在實驗中，學生普遍發(fā)現(xiàn)，口腔上皮細胞由于沒有顏色，觀察難度很大，且教材中已舉例說明動物細胞可以吸水漲破和失水皺縮；菠菜葉肉細胞很不規(guī)則，制片時也往往只看到表皮細胞，探究價值微乎其微。經(jīng)過與其他教師的討論，棄用了這兩種材料，以玫瑰花瓣和黑藻代替，玫瑰花瓣的紅色為細胞液中的花青素，黑藻葉片很薄，制片容易，且可以葉綠體作為參照物觀察，兩種材料都具有較高的研究價值。

3.2 蔗糖濃度的選擇

學生曾嘗試配制物質(zhì)量濃度高于0.7 g/mL濃度的蔗糖溶液，但高濃度的蔗糖溶解速度很慢，滴加時也很黏稠，操作不便。此外，雖有資料顯示物質(zhì)量濃度0.5 g/mL蔗糖溶液已足以使細胞失水死亡，但仍有學生提出想比較0.5 g/mL與0.7 g/mL的蔗糖溶液的失水速度，因此保留了0.7 g/mL的蔗糖溶液。還有學生認為應該配制物質(zhì)量濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/mL的蔗糖溶液。但由于系列濃度比較接近，且總跨度較小，最后選取了0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/mL這五種濃度。

3.3 葡萄糖和硝酸鉀溶液濃度的確定

學生最初選擇了物質(zhì)量濃度均為0.3 g/mL的葡萄糖和硝酸鉀溶液，實驗過程中發(fā)現(xiàn)細胞迅速失水，甚至滴加清水都難以復原，得出結(jié)論為0.3 g/mL的葡萄糖溶液和硝酸鉀溶液物質(zhì)的量濃度過大，失去參考價值。教師和學生參考有關資料，并討論，將葡萄糖溶液濃度改進為0.16 g/mL和硝酸鉀溶液濃度為0.090 g/ml，但又有學生考慮到硝酸鉀在溶液中會發(fā)生完全電離使物質(zhì)的量濃度加倍，最后確定硝酸鉀溶液濃度為0.045 g/mL，這樣兩種溶液都具備了與0.3 g/mL蔗糖溶液的比較價值。

3.4 硝酸鉀能使植物細胞質(zhì)壁分離完全復原

在實驗室的室溫下，硝酸鉀溶液滴在裝片上10～15 min后會明顯析出結(jié)晶，為避免這一現(xiàn)象對實驗結(jié)果的干擾，教師制作多張臨時裝片，并向蓋玻片周圍滴加了石蠟油以隔絕空氣，避免硝酸鉀溶液溶解度發(fā)生變化，從觀察到明顯質(zhì)壁分離開始計時，17 min時已經(jīng)可以觀察到質(zhì)壁分離出現(xiàn)自動復原，45 min及以后的時間內(nèi)細胞已不再明顯吸水，雖并未恢復至質(zhì)壁分離前狀態(tài)，但證明細胞在硝酸鉀溶液中可以發(fā)生質(zhì)壁分離自動復原。

3.5 葡萄糖溶液中能否發(fā)生自動復原的探究

筆者按3.4中相同方法制作多張裝片，連續(xù)觀察3 h，未曾看到有自動復原的趨勢；也曾做過放置10 h后再觀察的實驗，但細胞液中的紫色已經(jīng)消失，說明長時間失水已經(jīng)使細胞死亡，色素擴散至細胞外。無獨有偶，天津七中的翟春利老師使用物質(zhì)量濃度為0.2 g/mL的葡萄糖溶液也未能觀察到質(zhì)壁分離的自動復原。在查閱文獻過程中，筆者發(fā)現(xiàn)北京四中的畢詩秀老師曾在“蔗糖能進入植物細胞的論證”一文中提到細胞在0.15 g/mL葡萄糖溶液中發(fā)生質(zhì)壁分離后，繼續(xù)觀察5 min即可發(fā)生自動復原。筆者認為，影響質(zhì)壁分離及復原的因素還應該有實驗材料的生長地、存放時間、自身的生長狀態(tài)，此外實驗者對質(zhì)壁分離及復原現(xiàn)象的判斷也存在一定的主觀性和偶然性，不同文獻中同樣濃度的蔗糖、硝酸鉀等溶液質(zhì)壁分離及復原的時間都不完全一致也證明了這一點見（表1～表4）。山東省教研員張可柱老師認為葡萄糖可能只被細胞吸收至原生質(zhì)層而未進入細胞液，未能提高細胞液的滲透壓。此外，也有教師提出可能洋蔥表皮細胞對葡萄糖的吸收量較小，或吸收后立即被氧化分解而造成細胞未能吸水復原。關于這一問題筆者將繼續(xù)思考和探究。

3.6 氯化鈉溶液能使細胞質(zhì)壁分離自動復原

趙則信的《影響質(zhì)壁分離自動復原因素的實驗探究》一文中提到“但在一定的濃度范圍下，NaC1溶液都不能發(fā)生自動復原的現(xiàn)象”，筆者也在課堂教學中將這一結(jié)論作為已知條件為學生設計新的實驗提供佐證。但現(xiàn)場授課后，參會的幾位生物教師提出他們自己的實驗結(jié)果顯示氯化鈉也可以使細胞發(fā)生質(zhì)壁分離自動復原。帶著這一問題，筆者配制了物質(zhì)量濃度為0.05 g/mL的氯化鈉溶液（物質(zhì)的量濃度相當于0.3 g/mL蔗糖溶液）完成了該實驗。方法如3.4中所述，結(jié)果顯示，該濃度的蔗糖，氯化鈉溶液使細胞質(zhì)壁分離的速度更快，從觀察到明顯質(zhì)壁分離開始計時，75 min左右時出現(xiàn)了較為明顯的質(zhì)壁分離自動復原；繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，與硝酸鉀溶液類似，細胞也不能完全恢復至質(zhì)壁分離前的狀態(tài)，3 h后吸去石蠟油，向裝片上滴加清水，發(fā)現(xiàn)細胞仍可吸水而發(fā)生質(zhì)壁分離復原，這說明細胞尚未因長時間失水而死亡。考慮到3.5中所述的因素，筆者得出如下結(jié)論：氯化鈉溶液可以作為蔗糖的替代溶液；在實驗室條件下，氯化鈉溶液可以使細胞出現(xiàn)質(zhì)壁分離自動復原，但速度比硝酸鉀溶液慢。

4 不足之處

通過與聽課教師及專家的交流，筆者發(fā)現(xiàn)本課問題主要有：① 課堂容量大：雖然3個小組同時探究不同問題可以解決時間上的沖突，但課堂生成的很多重要問題未能充分展開討論；同時也沒能及時點評和糾正學生表述中的一些細節(jié)問題，這可能會讓學生形成一些錯誤的印象。這些都與教學內(nèi)容較多有關，教師難以面面兼顧。② 應注意回歸教材：本課對教材內(nèi)容做了大量拓展，引領了學生的思維，但本課的核心概念為滲透作用和質(zhì)壁分離，課標對本課的要求為“說明物質(zhì)進出細胞的方式”，因此本課最后應將學生發(fā)散的思維統(tǒng)一在教材的基本概念上，這也是對教材的一種尊重。

5 改進與展望

本課的授課地點為大慶市委黨校，教學環(huán)境需現(xiàn)場搭建，教學硬件和技術手段（如結(jié)果的展示和數(shù)據(jù)傳輸）的使用嚴重受限。如果能在數(shù)碼顯微互動實驗室中授課，實驗結(jié)果的共享更加便利，提高教學過程的流暢性，達到事半功倍的效果。

筆者在準備本課的過程中，也在不斷關注與本課有關的設計和創(chuàng)新。江西一位生物教師對植物細胞的吸水和失水也做過改進，其最大創(chuàng)新點在于將本實驗進行了量化分析。曾老師用帶有標尺的目鏡替換原目鏡，首先可以在低倍鏡下統(tǒng)計視野中發(fā)生質(zhì)壁分離的細胞個數(shù)及百分比，換成高倍鏡后可以測量某一細胞原生質(zhì)層的長和寬；其次在拍攝結(jié)果時，可以使用手機并通過APP傳輸數(shù)據(jù)、共享結(jié)果，手機的另一個優(yōu)勢在于可以隨時從顯微鏡上取下，以拍攝學生的活動及操作過程，但對WIFI網(wǎng)絡具有很強的依賴性。由于目鏡標尺和手機拍照在公開課現(xiàn)場使用具有局限性，筆者將在日常實驗室教學中加以應用。

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