基于科研思維培養(yǎng)的植物水分運(yùn)輸?shù)慕虒W(xué)設(shè)計(jì)

倪 郁

（西南大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶 400715）

引言

植物生理學(xué)是研究植物生命活動(dòng)規(guī)律及其與外界環(huán)境關(guān)系的學(xué)科，是高等學(xué)校植物科學(xué)與技術(shù)、農(nóng)學(xué)、園藝、植物保護(hù)等植物生產(chǎn)類專業(yè)的重要課程，在基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程之間起著承上啟下的作用。目前，涉農(nóng)專業(yè)“植物生理學(xué)”教學(xué)中普遍存在著注重基礎(chǔ)理論知識(shí)講解而忽視培養(yǎng)學(xué)生科研思維的現(xiàn)象。科研思維貫穿科研活動(dòng)的整個(gè)過程，包括提出科學(xué)問題、根據(jù)問題構(gòu)建科學(xué)假說、根據(jù)假說設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)施實(shí)驗(yàn)后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整甚至再構(gòu)建科學(xué)假說。實(shí)施探究式教學(xué)可以使學(xué)生在課堂中了解科學(xué)研究的過程，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考與自主學(xué)習(xí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。本文結(jié)合筆者多年來的“植物生理學(xué)”理論教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)高等院校農(nóng)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，以科研思維融入植物體內(nèi)水分運(yùn)輸為例提出教學(xué)設(shè)計(jì)，以期為提高“植物生理學(xué)”教學(xué)質(zhì)量提供參考。

一、課程目標(biāo)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)系

（一）課程目標(biāo)

植物生理學(xué)是一門研究植物生命活動(dòng)規(guī)律及其與環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)。植物生命活動(dòng)是在水分代謝、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、光合作用和呼吸作用等基本代謝基礎(chǔ)上，表現(xiàn)出種子萌發(fā)、生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)、開花、結(jié)果等生長(zhǎng)發(fā)育過程。通過“植物生理學(xué)”教學(xué)，要求學(xué)生掌握植物生理學(xué)的基礎(chǔ)理論、研究技術(shù)及其與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)系；熟悉植物生理學(xué)常用技術(shù)的應(yīng)用，善于在生產(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，并利用植物生理學(xué)理論與技術(shù)解決問題。

（二）專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)

西南大學(xué)農(nóng)學(xué)專業(yè)堅(jiān)持“基于綜合、立于專業(yè)、歸于個(gè)性”的人才培養(yǎng)理念，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)為中心，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，具有深厚的人文底蘊(yùn)與自然科學(xué)基礎(chǔ)、扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力及寬廣的國(guó)際視野，勝任現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域教學(xué)科研、技術(shù)推廣、經(jīng)營(yíng)管理等工作的高素質(zhì)復(fù)合型人才與拔尖創(chuàng)新型人才。

（三）課程目標(biāo)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)系

從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)來看，要實(shí)現(xiàn)作物健康生產(chǎn)，掌握課程目標(biāo)中的植物生命活動(dòng)的基本規(guī)律是基礎(chǔ)，兩個(gè)目標(biāo)是一致的。此外，“植物生理學(xué)”課程的開設(shè)使農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生具備了今后從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類崗位所需要的植物生長(zhǎng)發(fā)育及生理過程等相關(guān)知識(shí)，以及識(shí)別判斷生長(zhǎng)發(fā)育情況等方面的技能，以便解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題。

二、教學(xué)理念與授課對(duì)象分析

（一）教學(xué)理念

在學(xué)生掌握基本理論知識(shí)的前提下，注重學(xué)生思維啟迪和學(xué)生主體作用的發(fā)揮。綜合運(yùn)用問題情景式、啟發(fā)式、探究式等教學(xué)方法，使學(xué)生全程參與觀察、提問、假設(shè)、實(shí)驗(yàn)、推理、驗(yàn)證、解釋等活動(dòng)過程，從而提高學(xué)生的科學(xué)研究能力，激發(fā)學(xué)生探索植物生命活動(dòng)規(guī)律的欲望。

（二）授課對(duì)象分析

本課程的授課對(duì)象主要是大二學(xué)生。在知識(shí)基礎(chǔ)方面，通過大一植物學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已了解植物細(xì)胞、組織的結(jié)構(gòu)和特征；已掌握被子植物根、莖、葉等各器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理功能。在認(rèn)知能力方面，大二學(xué)生具有一定的自主學(xué)習(xí)能力，通過教師的點(diǎn)撥，能夠用所學(xué)的基本理論知識(shí)分析、討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)方面，學(xué)生對(duì)新事物的好奇心很強(qiáng)，對(duì)科研充滿熱情，渴望得到他人的認(rèn)可，從而促使自己不斷探索、思考、學(xué)習(xí)新知識(shí)。在學(xué)習(xí)風(fēng)格方面，學(xué)生喜歡通過動(dòng)手和實(shí)踐操作進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索。

授課對(duì)象存在的問題：一些學(xué)生缺乏良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)方法，表現(xiàn)為不知道如何支配學(xué)習(xí)時(shí)間，如何建立專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)專業(yè)技能。部分學(xué)生對(duì)自己的大學(xué)生涯缺乏規(guī)劃，缺少明確的奮斗目標(biāo)，表現(xiàn)為經(jīng)常不按照教師的要求完成課后學(xué)習(xí)，缺乏學(xué)習(xí)的自主性。一些調(diào)劑到農(nóng)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，心理落差大，缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力。

結(jié)合學(xué)習(xí)者特征分析結(jié)果，在教學(xué)過程中應(yīng)重視對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和方法的訓(xùn)練，在課程講授中減少純文字表述，多穿插實(shí)驗(yàn)相關(guān)圖片、圖表，使學(xué)生感受“發(fā)現(xiàn)—分析—提出假說—驗(yàn)證—?dú)w納”的研究過程，促使學(xué)生掌握相關(guān)的科學(xué)研究方法。通過分析案例，引導(dǎo)學(xué)生大膽假設(shè)、小心求證、科學(xué)表達(dá)，以提高學(xué)生的科研能力。植物生理學(xué)是一門建立在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，其基本知識(shí)點(diǎn)、重要機(jī)理產(chǎn)生于實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)，因此，在講授過程中要注意知識(shí)擴(kuò)展和理論聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生知道作物的栽培管理方法都是在植物生命活動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上提出的。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過觀察、比較、討論和體驗(yàn)探究等方法，在教師的引導(dǎo)下，是可以完成學(xué)習(xí)目標(biāo)的。

三、具體教學(xué)過程設(shè)計(jì)

（一）學(xué)習(xí)目標(biāo)

在知識(shí)方面，熟悉水分在植物體中的運(yùn)輸途徑，理解并掌握水分在植物體中的運(yùn)輸動(dòng)力與機(jī)制；在能力方面，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和邏輯推理能力，能夠運(yùn)用有關(guān)植物吸水與運(yùn)輸水的知識(shí)，解釋生活和生產(chǎn)中的相關(guān)現(xiàn)象，知道保持作物的水分平衡策略；在素質(zhì)方面，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，使學(xué)生掌握一般的科學(xué)研究方法，關(guān)注生產(chǎn)中的合理灌溉，關(guān)注我國(guó)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展。

（二）學(xué)習(xí)內(nèi)容與任務(wù)

本節(jié)課的相關(guān)知識(shí)（水勢(shì)以及植物對(duì)水分的吸收、運(yùn)輸、蒸騰作用等）與生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系緊密，學(xué)生通過對(duì)前面知識(shí)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)對(duì)水分進(jìn)出細(xì)胞、根系吸水等知識(shí)基礎(chǔ)，以及對(duì)水分的吸收與運(yùn)輸儲(chǔ)備具有一定的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)課將講述水分如何從根系進(jìn)入木質(zhì)部導(dǎo)管，又如何在導(dǎo)管中連續(xù)不斷地向上運(yùn)輸?shù)街参矬w的各個(gè)部位。在講課過程中將引入相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、比較、討論和體驗(yàn)探究等方法，最終理解、掌握水分在植物體中的運(yùn)輸機(jī)制。

（三）課堂導(dǎo)入

通過展示回顧Van Helmont柳樹盆栽實(shí)驗(yàn)圖片，引出水對(duì)植物生長(zhǎng)的重要性，使學(xué)生思考農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中“有收無收在于水”是否具有科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而復(fù)習(xí)水分在植物生命活動(dòng)中的具體作用；通過圖片展示，以高達(dá)百米的桉樹為例，引導(dǎo)學(xué)生思考植物從根系吸收的水分是如何向上運(yùn)輸以滿足植物生長(zhǎng)需求，進(jìn)一步提出水分被運(yùn)輸?shù)搅四睦?。通過以上問題，引出本節(jié)內(nèi)容——植物體內(nèi)水分的運(yùn)輸。

通過層層遞進(jìn)引導(dǎo)式提問，使學(xué)生建立水分生理與作物生產(chǎn)、國(guó)家糧油安全的聯(lián)系；同時(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維與興趣，開闊思維空間，使學(xué)生盡快融入共同學(xué)習(xí)的氛圍中。

（四）土壤、植物、大氣中的水勢(shì)關(guān)系

從一個(gè)問題“水分移動(dòng)與水勢(shì)的關(guān)系”和一張水分在土壤、植物、大氣中的水勢(shì)數(shù)據(jù)圖，指出土壤、植物、大氣之間存在水勢(shì)梯度，水分在植物體中順?biāo)畡?shì)梯度移動(dòng)；然后指出水分從土壤→根→莖→葉/花/果→大氣的一般運(yùn)輸路線；最終明確植物一般通過根系從土壤中獲得水分，通過葉片等向大氣散失水分。通過圖片與數(shù)據(jù)展示，使學(xué)生了解為什么植物從土壤中獲取水分、向大氣散失水分。

（五）水分在植物體內(nèi)的運(yùn)輸途徑

結(jié)合圖片展示水分運(yùn)輸途徑：土壤水分→根毛→皮層→內(nèi)皮層→根的中柱鞘→根的導(dǎo)管→莖的導(dǎo)管→葉脈導(dǎo)管→葉肉細(xì)胞→氣孔下腔→氣孔→大氣。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生思考：是什么力量在推動(dòng)水分從土壤進(jìn)入根系，又是什么力量促使水分從根部向各組織器官進(jìn)行運(yùn)輸。

通過圖片展示，使學(xué)生了解水分在植物體內(nèi)的運(yùn)輸途徑；通過提問使學(xué)生帶著問題繼續(xù)學(xué)習(xí)，以疑引新。

（六）水分在植物體內(nèi)的運(yùn)輸機(jī)制

結(jié)合圖片講解水分從根毛到木質(zhì)部導(dǎo)管的短距離運(yùn)輸途徑：土壤水分→根毛→皮層→內(nèi)皮層→根的中柱鞘→木質(zhì)部導(dǎo)管；進(jìn)一步結(jié)合圖片講解短距離運(yùn)輸?shù)木唧w運(yùn)輸路徑——質(zhì)外體途徑與共質(zhì)體途徑，并通過展示凱氏帶增厚解讀兩條途徑的聯(lián)系。提問并講解：（1）水分從根毛運(yùn)輸?shù)侥举|(zhì)部導(dǎo)管的動(dòng)力是什么，和水勢(shì)梯度有關(guān)嗎，水勢(shì)梯度如何形成。引出根壓概念，并進(jìn)行講解。（2）如何證明根壓的存在？圖片展示植物吐水、傷流現(xiàn)象。（3）根壓能夠支持水分向上運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)組織器官嗎。引出毛細(xì)管作用與內(nèi)聚力-張力學(xué)說，并進(jìn)行講解。（4）如何證明植物體內(nèi)存在張力。圖片演示支持內(nèi)聚力-張力學(xué)說的實(shí)驗(yàn)證據(jù)（剪斷葉柄實(shí)驗(yàn)）。

通過講解、提問、質(zhì)疑，由易到難，逐漸深入，引出根壓作用、毛細(xì)管作用、內(nèi)聚力-張力學(xué)說，使學(xué)生充分理解水分運(yùn)輸機(jī)制，掌握教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（七）水分運(yùn)輸機(jī)制研究案例

針對(duì)科學(xué)問題“白天與夜間樹干直徑的變化能否支持內(nèi)聚力-張力學(xué)說”，引導(dǎo)學(xué)生提出科學(xué)假設(shè)：在蒸騰作用進(jìn)行時(shí)，木質(zhì)部有足夠的張力使樹干輕微收縮?，F(xiàn)場(chǎng)用吸管吸果汁進(jìn)行演示，通過吸力使杯體向內(nèi)收縮引導(dǎo)學(xué)生思考蒸騰拉力的作用。在學(xué)生提出假設(shè)后，課堂分組討論實(shí)驗(yàn)方案，教師點(diǎn)評(píng)實(shí)驗(yàn)方案，并強(qiáng)調(diào)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中設(shè)置對(duì)照與生物學(xué)重復(fù)的重要性。在此基礎(chǔ)上，以圖片、圖表方式展示科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，最終得出結(jié)論。

在與學(xué)生的互動(dòng)中，通過提問使學(xué)生思考、討論張力從何而來，蒸騰拉力是否存在，如何證明其存在。通過模擬實(shí)驗(yàn)過程，歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論；通過問題討論，使學(xué)生感受“發(fā)現(xiàn)—分析—提出假設(shè)—驗(yàn)證—?dú)w納”的研究過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神；通過實(shí)驗(yàn)分析，引導(dǎo)學(xué)生自主探究性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

通過以上研究案例，使學(xué)生了解一般的科學(xué)研究方法與過程，在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)問題：白天與夜間葉組織水勢(shì)的變化能否支持蒸騰流-內(nèi)聚力-張力學(xué)說。在圖片展示壓力室儀測(cè)植物葉片水勢(shì)原理后，組織學(xué)生以組為單位獨(dú)立完成“提出假設(shè)—驗(yàn)證—?dú)w納”的研究過程，教師點(diǎn)評(píng)，促使學(xué)生深刻理解水分運(yùn)輸機(jī)制，掌握一般的科學(xué)研究方法。

（八）知識(shí)拓展與課堂小結(jié)

水分從植物根系向上運(yùn)輸是植物體的普遍現(xiàn)象，那么有沒有水分是從植株上部向下部進(jìn)行運(yùn)輸?shù)哪?？從一個(gè)問題引出水分運(yùn)輸?shù)目茖W(xué)研究進(jìn)展——荒漠植物適應(yīng)干旱的水分收集和運(yùn)輸新模式，介紹荒漠植物“由上至下”的水分吸收模式。通過解讀文獻(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生自主探究性學(xué)習(xí)，進(jìn)一步深化理解水分運(yùn)輸機(jī)制，了解科學(xué)新進(jìn)展，使知識(shí)向廣度、深度延伸。

總結(jié)歸納知識(shí)點(diǎn)：在土壤、植物、大氣連續(xù)體中，水分順?biāo)畡?shì)梯度轉(zhuǎn)移；水分在植物體內(nèi)的運(yùn)輸途徑；水分運(yùn)輸機(jī)制的內(nèi)聚力-張力學(xué)說。提出問題：植物一方面不斷地從環(huán)境中吸收水分，滿足其正常生命活動(dòng)的需要；另一方面又不可避免地將體內(nèi)的大量水分散失到空氣中，那么植物究竟如何保持體內(nèi)水分平衡呢？通過歸納總結(jié)，使學(xué)生牢固掌握知識(shí)點(diǎn)；通過問題延伸，給予學(xué)生思考、自主學(xué)習(xí)的空間。

（九）課后學(xué)習(xí)任務(wù)

布置本節(jié)三個(gè)思考題：（1）高大樹木導(dǎo)管中的水柱為何可以連續(xù)不斷；假如某部分導(dǎo)管中水柱中斷，樹木頂部葉片還能不能得到水分，為什么。（2）蒸騰作用進(jìn)行時(shí)植物體內(nèi)是否存在張力，張力是如何產(chǎn)生的。（3）為什么天然的小草在大晴天也不會(huì)變熱，而操場(chǎng)的人造草坪卻能燙得你難以“立足”。

圍繞節(jié)水農(nóng)業(yè)布置調(diào)查報(bào)告，要求以小組為單位下次課進(jìn)行課堂展示匯報(bào)。

結(jié)合本專業(yè)特點(diǎn)推薦閱讀文獻(xiàn)2篇。

學(xué)生通過思考題練習(xí)鞏固，檢查自己的知識(shí)掌握情況；通過課外閱讀繼續(xù)學(xué)習(xí)、擴(kuò)展知識(shí)面；小組合作完成我國(guó)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展相關(guān)的選題與報(bào)告，加深對(duì)植物高效用水的潛力認(rèn)識(shí)及發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的必要性與措施等，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力與自主學(xué)習(xí)能力。

四、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)與板書設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)過程性考核，重點(diǎn)評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)互動(dòng)等表現(xiàn)，使過程性考核作為推動(dòng)學(xué)生在課堂上認(rèn)真學(xué)習(xí)的重要推手。測(cè)試形式包括課堂提問、參與討論、書面作業(yè)、展示匯報(bào)；以小組的形式完成課堂討論，歸納結(jié)果、得出結(jié)論。

板書設(shè)計(jì)如圖1所示。圍繞教學(xué)目標(biāo)，將講解內(nèi)容進(jìn)行綜合、歸納，分別寫出植物體內(nèi)水分的運(yùn)輸方向、途徑、機(jī)制，突出重點(diǎn)。

圖1 課程板書設(shè)計(jì)

良好的科研思維是科研創(chuàng)新的基礎(chǔ)?！爸参锷韺W(xué)”課堂實(shí)施啟發(fā)式、探究式教學(xué)，可以有效啟迪學(xué)生科研思維，激發(fā)學(xué)生探索植物生命活動(dòng)規(guī)律的興趣，提高學(xué)生的科學(xué)研究與創(chuàng)新能力。