“植物細胞吸水和失水的再探究”教學設計

陳　亮?。ê邶埥〈髴c實驗中學　黑龍江大慶　163000）

1　學習內容分析

本節(jié)課選自人教版普通高中生物學必修1《分子與細胞》第4章第1節(jié)“物質跨膜運輸的實例”。課程標準中對這部分的要求是“說明物質進出細胞的方式”［1］，教材中以水為例，安排了一個探究實驗“植物細胞的吸水和失水”，這是高中教材中第1個探究實驗。本節(jié)課是在教材實驗的基礎上結合學生在自主探究活動中發(fā)現的新問題，進行進一步探究；通過實驗幫助學生形成滲透作用、質壁分離和原生質層相當于一層半透膜等重要概念，同時在實驗中落實培養(yǎng)學生“科學探究和理性思維”的生物學科核心素養(yǎng)的要求。

2　學生學習基礎分析

本校為黑龍江省示范性高中，生源較好，學生動手能力強。本節(jié)課的重要概念——滲透作用和質壁分離，具有很強的科普性，學生通過自學較易掌握。教材舉例說明的質壁分離及復原現象，學生通過課前實踐，也可順利觀察到，但學生在驗證教材實驗現象的同時，也會產生一些新的疑問，學生對這些發(fā)現作進一步研究的強烈興趣為本課奠定了良好的心理基礎和能力基礎。

3　教學目標

1）知識目標：掌握滲透作用的原理，理解質壁分離現象發(fā)生的原理。

2）能力目標：熟練掌握顯微鏡的使用及裝片制作的相關技能，通過對實驗結果的觀察記錄，學會并掌握對實驗數據進行記錄、分析和處理的方法。

3）情感態(tài)度與價值觀目標：增加自信，培養(yǎng)團隊合作精神，提升自我創(chuàng)新意識。

4　教學重、難點

1）教學重點：引導學生實施探究實驗，確定實驗的材料、試劑的種類與濃度，并進行應用創(chuàng)新。

2）教學難點：在探究實驗過程中培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

5　教學策略

本節(jié)課采用了微課程-翻轉課堂教學法，主要分為課前準備和課堂探究2個部分：

課前教師制作了4節(jié)微課，介紹本節(jié)課的重要概念如滲透作用、質壁分離等，學生自學后可以走進實驗室驗證教材的實驗現象，同時產生很多新問題，教師對學生的問題進行統(tǒng)計和分析，歸為3個研究方向，學生按照自己感興趣的研究問題自動組成實驗小組，并設計實驗，為課堂探究活動做好準備。

課堂探究時，學生首先匯報本組實驗設計，其他小組學生和教師提出修改意見，分組實驗后學生代表匯報實驗結果及結論，通過生生互動和師生互動討論，對不符合預期的實驗結果展開討論，最后學生總結如何保證實驗結果的準確性，以及對滲透作用的深刻理解。

6　教學過程

6.1課前準備

6.1.1課前微課程制作

①《滲透作用的原理》：介紹滲透作用的概念和條件、比較半透膜和選擇透過性膜，強調滲透作用中比較的是溶液的物質的量濃度；②《細胞的質壁分離》：將動、植物細胞與滲透裝置類比、闡述原生質層的概念；③《探究實驗的步驟》：將探究實驗的提出問題、作出假設、設計實驗、進行實驗、分析結果得出結論、表達和交流、進一步探究7個步驟作詳細解釋，并強調結果和結論的區(qū)別；④《實驗操作》：介紹教材實驗的流程，強調引流法等重要操作。

6.1.2學生自學微課學生觀看微課，自學教材的相關概念，充分鍛煉自學能力。同時教師還制作了與微課內容對應的自主學習任務單，以便學生檢驗自學效果，學生填寫后上交，也便于教師了解學情，教師批改后對學生的正確率進行統(tǒng)計，正確率達到85%以上，說明學生通過自學，可以初步達成本課的知識目標。

6.1.3開放實驗室學生走進實驗室，驗證微課所講知識點，探究植物細胞吸水和失水，學生通過自主實驗，可以熟悉實驗操作，并通過實踐引發(fā)深入思考，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

6.1.4提出問題，進一步探究教師匯總學生提出的新問題并將其歸納整理，主要集中在以下3個方向：小課題Ⅰ探究質壁分離的最佳材料；小課題Ⅱ探究質壁分離的蔗糖濃度；小課題Ⅲ探究其他溶液（葡萄糖、硝酸鉀）對質壁分離的影響，這3個問題緊扣教材實驗，有助于學生加深對教材內容的理解。

6.2課堂探究

6.2.1回顧課前，導入新課課前學生已經閱讀教材并觀看微課，填寫、上交了自主學習任務單，也走進實驗室進行了初步探究，并提出了很多新的問題，教師將問題進行匯總，發(fā)現主要集中在3個方面：探究質壁分離的植物材料、溶液濃度、溶質種類。學生已經分別選擇了自己感興趣的課題，由各小組匯報都有哪些想法，通過對課前內容的回顧過渡到課堂探究環(huán)節(jié)。

6.2.2小組代表匯報實驗設計各小組代表在課前制作了幻燈片，匯報包括以下主要內容：①選擇該小課題的理由；②材料或濃度選擇；③實驗流程；④結果預期。

第1組：探究質壁分離的理想材料。學生發(fā)現撕取洋蔥紫色外表皮細胞時，有時會帶有葉肉細胞，影響觀察，因此他們想探究其他植物細胞（紫色洋蔥內表皮、黑藻、玫瑰花瓣）能否代替，并按照取材、制片、拍照、滴加蔗糖、拍照、滴加清水、拍照的流程設計實驗。黑藻和玫瑰花瓣細胞均有顏色，理論上應該能觀察到質壁分離及復原現象，洋蔥內表皮為無色細胞，可與前2種細胞進行對比。

第2組：探究質壁分離的蔗糖濃度。學生在課前實驗時使用了0.3 g/mL的蔗糖，這次他們想探究不同濃度蔗糖溶液對質壁分離與復原的影響，他們配制了 0.1 g/mL、0.3 g/mL、0.5 g/mL、0.7 g/mL 4 種濃度的溶液，跨度較大，現象區(qū)別明顯。實驗過程中要保證無關變量一致，例如蔗糖溶液的體積和清水的滴數。學生認為0.1 g/mL的蔗糖不能確定能否使細胞質壁分離，0.5 g/mL和0.7 g/mL的蔗糖能使細胞發(fā)生更明顯的質壁分離，但復原情況有待探究。教師為訓練學生嚴謹的邏輯思維，追問：除清水和蔗糖溶液的體積外，還有哪些條件也應該保持一致？學生回答：選取初始狀態(tài)相同的洋蔥，盡量選擇同一層的洋蔥鱗片葉。

第3組：探究其他溶液對質壁分離的影響。葡萄糖是細胞的主要能源物質，應該會被細胞吸收，同時教材舉例說明離子可以進入細胞，因此葡萄糖和硝酸鉀可能會使細胞出現質壁分離自動復原，省去了加清水的步驟，簡化實驗環(huán)節(jié)。起初學生選擇0.3 g/mL葡萄糖，但有的學生提出教師微課中提到濃度差應考慮物質的量濃度，經計算，0.16 g/mL葡萄糖與0.3 g/mL蔗糖的物質的量濃度基本相同；同理，他們選擇了0.09 g/mL硝酸鉀，但有細心的學生想到，硝酸鉀在水中會發(fā)生完全電離，使物質的量濃度加倍，因此0.045 g/mL硝酸鉀的離子物質的量濃度與0.3 g/mL蔗糖相等。學生預測0.16 g/mL葡萄糖和0.045 g/mL硝酸鉀中都應該發(fā)生質壁分離自動復原。

通過匯報實驗設計，鍛煉了學生設計探究實驗的能力，同時表達能力也得到了很好的提升，學生已經能運用自學的知識設計實驗，說明已順利掌握相關概念。

6.2.3分組實驗學生制作裝片、使用數碼顯微鏡拍照，并將結果制作成幻燈片，以備匯報；實驗的同時，學生也要完成課堂學習任務單，通過分組實驗，在鍛煉學生動手能力的同時，也培養(yǎng)了學生的團隊精神和分工合作意識，初步達成本課的能力目標。

6.2.4匯報實驗結果及結論

第1組：紫色洋蔥外表皮細胞、玫瑰花瓣和黑藻都能發(fā)生質壁分離及復原，但玫瑰花瓣細胞太小，觀察難度較大，且撕取到的往往是花瓣的表皮細胞；黑藻葉片很薄，可以放在載玻片上直接觀察，但在北方取材受季節(jié)限制。綜上，黑藻在一定程度上可代替洋蔥外表皮，質壁分離的理想材料應易獲取、易制片、有顏色、細胞大。教師追問：如果實驗材料只有洋蔥的內表皮細胞，如何能看到明顯的質壁分離現象？學生回答：在外界溶液中滴加紅墨水或藍墨水，使實驗現象更加明顯。

第2組：0.1 g/mL蔗糖不能使細胞質壁分離；0.5 g/mL蔗糖細胞可以質壁分離，且相同時間內，質壁分離程度更明顯，部分細胞質壁分離難以復原；0.7 g/mL蔗糖質壁分離非常明顯，不能復原。教師總結：觀察質壁分離及復原應選擇高于細胞液濃度的溶液，但濃度不能過大，否則細胞將失水過多而死亡。過渡：如果改變溶質的種類，能否觀察到質壁分離及復原的現象？

通過前2組學生的匯報和討論，學生對于質壁分離的實驗材料和蔗糖濃度有了更深的理解，通過親身實踐，也認識到教材選擇的細胞和溶液濃度的科學性和嚴謹性。

第3組：對于質壁分離自動復原現象，學生觀察到硝酸鉀溶液中已經出現該趨勢，而葡萄糖溶液中未能觀察到，但學生認為等待時間較短，應進行更長時間的實驗，以準確判斷質壁分離的自動復原能否發(fā)生。此時展示教師課前完成的這個實驗，結果顯示葡萄糖溶液中（3 h連續(xù)觀察），未發(fā)生質壁分離自動復原；硝酸鉀溶液中45 min時，質壁分離基本自動復原，這與文獻報道相符［2］（表1）。教師的實驗有效解決了課堂實驗時間不夠的問題，對學生的實驗結果進行了有效補充，利于學生分析問題。

表1　文獻中關于硝酸鉀使細胞自動復原的描述［2］

教師提問：根據實驗結果，能否證明細胞吸收了鉀離子和硝酸根？學生回答：不能，應該進一步探究究竟是鉀離子還是硝酸根進入細胞。教師追問：應怎樣設計實驗？學生回答：選擇含鉀離子和硝酸根的其他無機鹽。教師補充：有文獻表明，在氯化鈉溶液中細胞不能發(fā)生質壁分離自動復原［2］。學生繼續(xù)回答：應選氯化鉀和硝酸鈉。氯化鈉溶液如果不能使已發(fā)生質壁分離的細胞自動復原，證明鈉離子和氯離子都不能被細胞吸收，所以，如果氯化鉀溶液中細胞不能發(fā)生質壁分離自動復原，則證明細胞不能吸收鉀離子；硝酸鈉同理。根據教師的實驗結果及文獻數據，培養(yǎng)學生的理性思維和進一步探究的意識。

教師提問：葡萄糖溶液中細胞為什么沒有發(fā)生質壁分離的自動復原？學生回答：葡萄糖進入細胞速度很慢；葡萄糖進入細胞質基質，未進入液泡，沒有增加細胞液濃度……當已有的實驗結果與理論知識不符時，學生沒有盲從和迷信，而是尋找自身實驗的問題，并有理有據地進行分析，體現了科學探究的本質。教師提問：細胞對于葡萄糖和硝酸鉀吸收情況的不同，體現了細胞膜的什么特性？學生回答：選擇透過性。緊扣教材結論，將學生的發(fā)散思維統(tǒng)一在教材內容中。對實驗結果的討論和匯報是本節(jié)課的核心環(huán)節(jié)，充分鍛煉了學生分析問題和解決問題的能力，同時達成本課的能力目標和情感目標。

教師總結：今天大家完成了3個探究實驗，實際上是對教材結論的拓展性研究，你認為在進行探究實驗的過程中應該如何保證實驗的準確性？學生先討論后回答：應遵循單一變量原則和對照原則；注意實驗的可重復性。這一環(huán)節(jié)目的是落實實驗設計的2個原則，學生在討論后加深對探究實驗的理解。

結束語：生物學是一門以實驗為基礎的學科，教材中幾乎每個結論都是科學家辛勤探索的結果。做好實驗，才能更好理解生物學知識，探尋生命奧秘。對教學內容進行升華，同時對學生進行情感教育。

6.3課后延伸開放實驗室，學生可以對硝酸鉀和葡萄糖等問題繼續(xù)探究；完成作業(yè)。

7　板書設計（圖1）

圖1　本課板書設計

8　教學反思

本節(jié)實驗課采用微課程-翻轉課堂教學法，充分鍛煉了學生的自學能力、探究意識和小組合作意識，有效提高了教學目標達成度。針對教材沒有闡述清楚的問題設計了探究實驗，對教材內容進行有效補充，鍛煉學生的動手能力，激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生科學探究和理性思維的生物學科核心素養(yǎng)。

由于本節(jié)課的時間有限，很多小組的優(yōu)秀成果未能得到展示和實踐，在后續(xù)的實驗教學中可以給學生更多展示的機會，教師選出優(yōu)秀實驗設計張貼于教室中供學生進一步交流和探討。

［1］中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準.北京：人民教育出版社，2013.

［2］趙則信.影響質壁分離自動復原因素的實驗探究.林區(qū)教學，2012(7):108.