基于學(xué)科核心素養(yǎng)的“探究植物氣孔”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

甘利芬 陳秋香

（福建省廈門大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué) 福建漳州 363102）

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

本實(shí)驗(yàn)選自人教版七年級(jí)《生物學(xué)》上冊(cè)第三單元第三章“綠色植物與生物圈的水循環(huán)”。氣孔是植物葉片上非常重要的結(jié)構(gòu)，是植物體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的重要門戶，水蒸氣、CO、O都要共用氣孔這個(gè)通道。氣孔參與了蒸騰作用、呼吸作用以及光合作用等多項(xiàng)植物體重要的生命活動(dòng)。教材中關(guān)于氣孔的描述偏少且內(nèi)容抽象，下文將教材中“探究植物的氣孔”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展和整合，設(shè)計(jì)成4個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)于氣孔這一重要結(jié)構(gòu)能有更加直觀和深刻的了解，為后續(xù)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入課題

教師展示放有空心菜的保鮮袋，提出問題：帶葉子的蔬菜放久了會(huì)發(fā)現(xiàn)塑料袋內(nèi)壁上產(chǎn)生小水珠，這是為什么？引出探究主題“植物的氣孔”。接著，教師將學(xué)生分為四組，為其提供相關(guān)論文和探究實(shí)驗(yàn)報(bào)告單，再在教師的指導(dǎo)下小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

2.2 分組實(shí)驗(yàn)，合作探究

2.2.1 感受氣孔存在，初探氣孔分布

教師給學(xué)生提供以下實(shí)驗(yàn)方法，引導(dǎo)學(xué)生使用不同材料感受氣孔存在，初探氣孔分布。

（1）熱水浸泡法。

①實(shí)驗(yàn)過程：準(zhǔn)備陸生植物扶桑、紫鴨跖草、浮葉植物睡蓮、荇菜葉片若干。1人將葉片放入70℃熱水中，2人在兩側(cè)用平板拍攝記錄上下表皮氣泡產(chǎn)生數(shù)目。

②結(jié)果見表1。

表1 上、下表皮熱水浸泡法產(chǎn)生的氣泡數(shù)

③實(shí)驗(yàn)結(jié)論：熱水浸泡法適合較薄的葉片，厚的葉片不產(chǎn)生氣泡。扶桑、紫鴨跖草葉片氣孔主要分布在下表皮。

（2）創(chuàng)新水汽法。

①實(shí)驗(yàn)過程：準(zhǔn)備四種植物葉片若干，平均分為兩組，一組整片葉片涂抹凡士林，另一組只在葉柄涂抹，放入保鮮袋中，密閉24 h后用濕度計(jì)測(cè)濕度。

②結(jié)果見表2，空白對(duì)照組濕度值62%。

表2 水汽法測(cè)定的濕度值

③實(shí)驗(yàn)結(jié)論：葉片上存在氣孔，水蒸氣通過氣孔散發(fā)出來，增加空氣濕度。

2.2.2 認(rèn)識(shí)氣孔結(jié)構(gòu)，制作氣孔模型

（1）觀察氣孔結(jié)構(gòu)。

①實(shí)驗(yàn)過程：嘗試用直接撕取法、膠帶撕取法和指甲油印記法獲取葉片表皮觀察材料，創(chuàng)新使用指甲油撕取法和牙刷刷去葉肉法。指甲油撕取法將透明指甲油涂于葉表皮，干燥后用鑷子夾掉指甲油并夾起葉片上表皮；牙刷刷去葉肉法需去掉下葉片表皮，然后用牙刷輕輕刷去葉肉，直至看到較透明的上表皮，用剪刀和鑷子剪取上表皮。

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 扶桑、紫鴨跖草、睡蓮和荇菜下表皮顯微結(jié)構(gòu)

圖2 扶桑、紫鴨跖草、睡蓮和荇菜上表皮顯微結(jié)構(gòu)

③實(shí)驗(yàn)結(jié)論：膠帶撕取法比直接撕取法所獲得的葉表皮更大更薄，且適合較薄葉片；指甲油印記法得出的印記太淺，結(jié)構(gòu)不夠清晰；指甲油撕取法適合葉片稍厚質(zhì)地稍革質(zhì)的荇菜葉片；而又厚又軟的睡蓮葉片，只有牙刷葉肉刷去法才能獲得理想的表皮。氣孔由兩個(gè)半月形保衛(wèi)細(xì)胞圍成的空腔組成。保衛(wèi)細(xì)胞的內(nèi)壁比外壁更厚。陸生植物氣孔主要分布在下表皮，浮葉植物氣孔主要分布在上表皮。此外，紫鴨跖草的氣孔大且清晰，扶桑的氣孔雖然較小但也比較清晰，都是氣孔結(jié)構(gòu)良好的觀察材料。

（2）制作氣孔動(dòng)、靜態(tài)模型。

①實(shí)驗(yàn)過程：用輕黏土制作靜態(tài)模型。削兩片蘿卜皮，擺成氣孔結(jié)構(gòu)，將外皮朝內(nèi)以模擬加厚的內(nèi)壁，模擬氣孔閉合，放入水中，一段時(shí)間后蘿卜吸水膨脹，模擬氣孔開放（圖3）。

圖3 輕黏土靜態(tài)模型和蘿卜皮動(dòng)態(tài)模型

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果：蘿卜皮能較好演示氣孔開閉過程。

③實(shí)驗(yàn)結(jié)論：蘿卜皮動(dòng)態(tài)模型，能很好的模擬氣孔開閉過程，保衛(wèi)細(xì)胞吸水后膨脹，氣孔打開，失水后皺縮，氣孔關(guān)閉。

2.2.3 探究氣孔的開閉

①實(shí)驗(yàn)過程：紫鴨跖草葉片平均分為5組，將3種因素整合成5組實(shí)驗(yàn)，條件設(shè)置見表3。

表3 探究環(huán)境因素對(duì)氣孔開閉的影響

實(shí)驗(yàn)后每組制作1片裝片，每個(gè)裝片統(tǒng)計(jì)10倍物鏡下3個(gè)視野，記錄開放和關(guān)閉的氣孔數(shù)。

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 探究環(huán)境因素對(duì)氣孔開閉實(shí)驗(yàn)結(jié)果

③實(shí)驗(yàn)結(jié)論：1和2組對(duì)照，1和5組對(duì)照，說明光照、水分促進(jìn)氣孔開放，且缺水對(duì)氣孔的開閉抑制作用最大；1和3、4組對(duì)照，說明高溫和低溫都抑制氣孔開放。

2.2.4 驗(yàn)證氣孔的功能

①實(shí)驗(yàn)過程：紫鴨跖草葉片分為兩組，一組整片涂抹凡士林，另一組只涂抹葉柄切口，放入三頸燒瓶；安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，用封口膜將傳感器密封，蓋上橡膠塞；運(yùn)行立訊科數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室軟件，測(cè)定瓶中CO和O變化，記錄瓶?jī)?nèi)起始CO和O含量；0.5 h后，軟件自行終止程序，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，獲得曲線。

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。③實(shí)驗(yàn)結(jié)論：不論是CO還是O，整片涂抹組的變化幅度都小于葉柄涂抹組。結(jié)合水汽法的結(jié)果，氣孔確實(shí)是水蒸氣、CO和O進(jìn)出植物的門戶。

表5 驗(yàn)證氣孔功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 成果展示，交流評(píng)價(jià)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)成果交流

學(xué)生小組代表上臺(tái)展示，進(jìn)行組間互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)。有學(xué)生提出建議：如熱水浸泡法應(yīng)該改成攝影，數(shù)出的氣泡數(shù)量才科學(xué)；探究氣孔的分布規(guī)律，應(yīng)該選用更多不同環(huán)境下的植物；建議繼續(xù)使用其他材料來制作模型；建議學(xué)校購(gòu)買能直接拍照的顯微鏡、濕度傳感器等，可同時(shí)測(cè)定三種氣體含量變化。針對(duì)各組提出的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，師生共同討論，后續(xù)再進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)方案。

2.3.2 聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用

教師引導(dǎo)學(xué)生討論：為什么植物移栽時(shí)需要砍掉枝葉？學(xué)生經(jīng)過此次探究學(xué)習(xí)，很快能夠回答出是為了防止葉片氣孔蒸發(fā)大量的水分，提高成活率。教師提問：如何養(yǎng)護(hù)好家里的植物？學(xué)生討論，得出：在生活中，白天適當(dāng)增強(qiáng)光照，及時(shí)補(bǔ)充水分，同時(shí)控制溫度以促進(jìn)氣孔開放，提高光合作用速率，晚上降低光照和溫度減少水分促進(jìn)氣孔關(guān)閉，降低呼吸速率。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與評(píng)價(jià)

本節(jié)課落實(shí)了探究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，將課堂充分交給了學(xué)生，通過激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生的課堂參與度，使學(xué)生成為課堂的主體。通過對(duì)教材原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，教師不斷引導(dǎo)學(xué)生查閱資料、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親歷探究過程，有效促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念，提高實(shí)踐能力。教師鼓勵(lì)每組學(xué)生使用多元化的實(shí)驗(yàn)材料和探究方法，解決教材中的重難點(diǎn)問題，又通過多種方法比較，尋找最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案，有效培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維，特別是批判性和創(chuàng)新性等高階思維。創(chuàng)造性使用教材，在新課導(dǎo)入、實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化整合、學(xué)以致用等教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中努力引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活，聯(lián)系實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生在做中學(xué)，體驗(yàn)生物學(xué)知識(shí)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的緊密聯(lián)系，提高學(xué)生知識(shí)遷移能力和社會(huì)責(zé)任感，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。