基于生物學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)課程的綜合實(shí)踐活動主題活動設(shè)計(jì)
——以“植物細(xì)胞質(zhì)壁分離現(xiàn)象的認(rèn)知拓展”為例

安徽 余中賓 張曉盼

“植物細(xì)胞的吸水和失水”是人教版高中生物學(xué)必修1教材《分子與細(xì)胞》的探究·實(shí)踐欄目，該實(shí)踐探究有利于學(xué)生加深對生物學(xué)滲透作用的理解，從而幫助學(xué)生在“水是細(xì)胞重要組成成分”的基礎(chǔ)上達(dá)成對“物質(zhì)通過被動運(yùn)輸、主動運(yùn)輸?shù)确绞竭M(jìn)出細(xì)胞，以維持細(xì)胞的正常代謝活動”重要概念的理解。教學(xué)中，由于此實(shí)驗(yàn)操作簡單導(dǎo)致其可能會被忽略，或者只用紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞觀察較明顯的質(zhì)壁分離現(xiàn)象，后者可能會使學(xué)生產(chǎn)生“只有有顏色的細(xì)胞才能發(fā)生質(zhì)壁分離的現(xiàn)象”的慣性認(rèn)識，不利于對植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更深層次的認(rèn)識，更不利于學(xué)生對植物細(xì)胞失水在農(nóng)林生產(chǎn)實(shí)踐中的理解和應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)與實(shí)施綜合實(shí)踐活動課程時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生主動運(yùn)用學(xué)科知識分析、解決實(shí)際問題，使學(xué)科知識在綜合實(shí)踐活動中得到延伸、重組與提升。本文嘗試將教材中探究的內(nèi)容拓展為生物學(xué)學(xué)科的綜合活動實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生積極審視實(shí)踐內(nèi)容，構(gòu)建證據(jù)，反思生物學(xué)原理和概念，對所發(fā)現(xiàn)的生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分析、解決，從而達(dá)到拓展、加深學(xué)生對教學(xué)中的知識的記憶和主動運(yùn)用生物學(xué)學(xué)科知識分析、解決實(shí)際問題的目的。與此同時(shí)，為選擇合適的學(xué)科內(nèi)容為高中生物學(xué)課程關(guān)聯(lián)的綜合實(shí)踐活動，做到常態(tài)實(shí)施的可行性和實(shí)效性進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累和實(shí)踐摸索。

一、建構(gòu)生物學(xué)綜合實(shí)踐活動的一般過程

綜合實(shí)踐活動內(nèi)容的選擇與組織要遵循自主性的原則，要注重引導(dǎo)學(xué)生回歸課本，回顧基礎(chǔ)知識，從特定的情境角度來確定具體內(nèi)容和設(shè)定活動目標(biāo)任務(wù)；從實(shí)踐性和連續(xù)性看，在探究、設(shè)計(jì)、操作中進(jìn)行體驗(yàn)和感悟，在發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題中進(jìn)行合作、交流和評價(jià)，加強(qiáng)知識內(nèi)容在系列活動中的銜接，構(gòu)建合理的活動主題序列進(jìn)行拓展升華(圖1)。

圖1

二、生物學(xué)綜合實(shí)踐活動設(shè)計(jì)過程

1.實(shí)施條件

(1)活動對象

高中生物興趣小組，共6組，每組2～3人

(2)實(shí)施課時(shí)

3個(gè)課時(shí)

(3)實(shí)施方式

建立合作小組，以小組為單位圍繞“觀察洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的失水”進(jìn)行活動。

(4)實(shí)施設(shè)施及器材

常規(guī)生物實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺，光學(xué)顯微鏡、不同濃度的蔗糖溶液、清水、各種植物組織、刀片、載玻片、蓋玻片、滴管、吸水紙、提供拍攝的手機(jī)。

2.實(shí)施過程

(1)設(shè)置問題情境，重現(xiàn)洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的質(zhì)壁分離現(xiàn)象(第1課時(shí))

回顧細(xì)胞滲透作用的原理，明確探究目的：學(xué)生自主設(shè)計(jì)觀察到清晰的質(zhì)壁分離現(xiàn)象時(shí)合適的蔗糖溶液濃度的方案。同時(shí)教師提出問題：①質(zhì)壁分離的細(xì)胞學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是什么？②在一定的時(shí)間內(nèi)觀察時(shí)，蔗糖溶液的濃度是越大越好嗎？③如何確定洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞質(zhì)壁分離時(shí)合適的蔗糖溶液濃度？

學(xué)生分工合作，配制質(zhì)量濃度為0.1 g/mL、0.3 g/mL和0.5 g/mL的蔗糖溶液，制作4個(gè)臨時(shí)裝片同時(shí)用手機(jī)拍攝；指導(dǎo)學(xué)生刀片劃“井”字，用鑷子撕取紫色洋蔥鱗片葉外表皮單層細(xì)胞制作成臨時(shí)裝片。

教師給出兩種觀察方案：①制作清水下細(xì)胞臨時(shí)裝片，顯微鏡下觀察，然后在載物臺上臨時(shí)裝片的蓋玻片一側(cè)滴加某濃度蔗糖溶液，用吸水紙重復(fù)引流后觀察。②用鑷子撕下表皮后直接放在載玻片中央的蔗糖溶液滴中，展平蓋上蓋玻片，制成臨時(shí)裝片觀察。

學(xué)生比較兩種方案，根據(jù)顯微鏡下觀察到的現(xiàn)象和所需時(shí)長進(jìn)行比較得出：第一種方案操作煩瑣，難度較大，且臨時(shí)裝片中的清水會稀釋蔗糖溶液，導(dǎo)致發(fā)生質(zhì)壁分離時(shí)間延長等。

光學(xué)顯微鏡下觀察并比較清水里和不同蔗糖溶液里的細(xì)胞的變化情況，并用手機(jī)對著目鏡拍照，然后記錄(表1)，最后通過引流清水觀察是否發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象確定合適的蔗糖溶液濃度。

表1 不同蔗糖溶液濃度下紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的變化情況

各小組交流觀察過程、結(jié)果，可以展示小組滿意的觀察結(jié)果(圖2)，也可以列出不滿意的結(jié)果并提出質(zhì)疑，比如取材位置、浸潤蔗糖溶液方式、同一個(gè)顯微鏡觀察視野下的細(xì)胞質(zhì)壁分離程度不一樣等。嘗試分析解釋，并在教師指導(dǎo)下改進(jìn)操作過程。

圖2

(2)觀察洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞及質(zhì)壁分離現(xiàn)象(第2課時(shí))

打破知識思維定式，通過顯微鏡觀察明確紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞不是唯一能發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞，紫色便于觀察到質(zhì)壁分離的失水現(xiàn)象。植物細(xì)胞失水出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象是普遍存在的。與外表皮相比，內(nèi)表皮更容易撕取，如何觀察到?jīng)]有顏色細(xì)胞的質(zhì)壁分離現(xiàn)象呢？

嘗試用內(nèi)表皮細(xì)胞在合適的蔗糖溶液里進(jìn)行操作，觀察到清晰的圖像后描述、記錄、拍攝(圖3)。

圖3

①小組代表展示拍攝較好的圖片，嘗試指出顯微鏡下清水里無色的內(nèi)表皮細(xì)胞的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及無色的內(nèi)表皮細(xì)胞在蔗糖溶液里質(zhì)壁分離現(xiàn)象的特點(diǎn)。

②各組組織討論，對結(jié)果不明顯的找出問題，比如顯微鏡視野太亮；取的組織太厚，導(dǎo)致多層細(xì)胞疊加等，提出改進(jìn)方法。

③嘗試在蔗糖溶液中滴加紅墨水，在顯微鏡下觀察內(nèi)表皮細(xì)胞的變化，記錄現(xiàn)象并拍攝(圖4)。

圖4

④各小組根據(jù)對觀察結(jié)果的評價(jià)意見(表2)進(jìn)行交流，討論沒有出現(xiàn)預(yù)期現(xiàn)象的原因并改進(jìn)。

表2 顯微鏡觀察洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮結(jié)果評價(jià)表

教師需要特別指出細(xì)胞壁與細(xì)胞膜之間蔗糖溶液的折光度與細(xì)胞液不同，用顯微鏡在不太明亮的視野下進(jìn)行辨認(rèn)是否發(fā)生質(zhì)壁分離。無色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞具有中央大液泡，與洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞相比，顯微鏡下觀察到的質(zhì)壁分離現(xiàn)象不明顯。在配制好的蔗糖溶液里滴加紅墨水，可能會稀釋蔗糖溶液，教師應(yīng)建議學(xué)生直接用含有紅墨水的清水作為溶劑配制蔗糖溶液。對于活動可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，教師需要預(yù)判并啟發(fā)學(xué)生討論可能的原因，例如：細(xì)胞全部被染紅的原因可能是蔗糖溶液濃度太大或者處理時(shí)間過長，導(dǎo)致細(xì)胞過度失水，細(xì)胞膜失去了選擇透過性等。

(3)觀察其他植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離現(xiàn)象(第3課時(shí))

綜合實(shí)踐活動強(qiáng)調(diào)運(yùn)用學(xué)科知識認(rèn)識、分析和解決現(xiàn)實(shí)問題，提升綜合素質(zhì)，著力發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，特別是社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

通過前兩個(gè)課時(shí)的實(shí)驗(yàn)明確植物細(xì)胞質(zhì)壁分離的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，嘗試從細(xì)胞大小和質(zhì)壁分離時(shí)的合適細(xì)胞外液濃度等方面篩選其他材料并觀察，應(yīng)用于生產(chǎn)、生活實(shí)踐。通過植物細(xì)胞失水的原理觀察洋蔥根尖的根毛區(qū)細(xì)胞，用蔗糖溶液模擬土壤溶液，分析鹽堿地不適合植物生長的原因，闡述無土栽培時(shí)營養(yǎng)液濃度的限制問題，及農(nóng)業(yè)、果林在不同濕度、不同溫度下合理灌溉和施肥的問題。通過觀察菠菜等植物的葉肉細(xì)胞葉綠體的分布情況判斷質(zhì)壁分離情況(圖5)，模擬探究向植物直接噴灑溶液時(shí)的濃度范圍。

圖5

三、典型試題分析

【例題】某同學(xué)利用無色透明的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞和加有伊紅(植物細(xì)胞不吸收的紅色染料)的0.3 g/mL的蔗糖溶液為材料按圖6步驟進(jìn)行了質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)，回答下列問題。

圖6

(1)甲→乙的實(shí)驗(yàn)過程中，判斷細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象的依據(jù)是________。

(2)在乙→丙的實(shí)驗(yàn)過程中，水分子的主要運(yùn)動方向是從________(填“細(xì)胞外到細(xì)胞內(nèi)”“細(xì)胞內(nèi)到細(xì)胞外”或“不移動”)，在這個(gè)過程中，乙細(xì)胞的吸水能力________。水分子的這種移動過程稱為________。

(3)正常情況下，圖6乙中細(xì)胞的細(xì)胞液________(填“能”或“不能”)變色，原因是________。

【答案】(1)細(xì)胞壁與原生質(zhì)層之間出現(xiàn)紅色區(qū)域 (2)細(xì)胞外到細(xì)胞內(nèi) 減弱 滲透作用 (3)不能 原生質(zhì)層具有選擇透過性，外界溶液中的伊紅不能通過原生質(zhì)層進(jìn)入細(xì)胞液

【解析】本題是以在觀察洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮的實(shí)踐活動為基礎(chǔ)，考查學(xué)生對植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)的理解和識記能力，深化滲透作用實(shí)質(zhì)，應(yīng)用相關(guān)知識綜合解決問題的能力。甲是未做處理的細(xì)胞，乙是發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞，丙是質(zhì)壁分離復(fù)原后的細(xì)胞圖像。(1)甲→乙過程中，原生質(zhì)層與細(xì)胞壁發(fā)生分離，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜之間的液體是被染色的細(xì)胞外液，判斷細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象的依據(jù)是細(xì)胞壁與原生質(zhì)層之間出現(xiàn)紅色區(qū)域。(2)在宏觀上，乙→丙是細(xì)胞通過滲透作用吸水復(fù)原的過程，水分子的運(yùn)動方向是從溶液濃度低處(細(xì)胞外)流向溶液濃度高處(細(xì)胞液)。(3)正常情況下，圖6乙中細(xì)胞的細(xì)胞液不能變色，原因是原生質(zhì)層具有選擇透過性，外界溶液中的伊紅不能通過原生質(zhì)層進(jìn)入細(xì)胞液。

四、生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)課程綜合實(shí)踐活動的反思