重構(gòu)生物科學(xué)史，完善教材中植物向光生長(zhǎng)的原理

于月超 胡玉勤

（山東省惠民縣第一中學(xué) 山東濱州 251700）

植物向光性運(yùn)動(dòng)的解釋存在兩種假說(shuō)，即經(jīng)典的生長(zhǎng)素分布不均勻?qū)W說(shuō)和抑制物質(zhì)分布不均勻?qū)W說(shuō)。但至今人們?nèi)匀粚?duì)這兩種假說(shuō)存在很多爭(zhēng)論，尚待進(jìn)一步的深入研究。人教版教材傾向于生長(zhǎng)素分布不均勻?qū)W說(shuō)的解釋，但教材中的科學(xué)史實(shí)驗(yàn)并不足以完整的證明植物向光性的原因。為了更好地符合學(xué)生的邏輯思維和現(xiàn)代知識(shí)背景，筆者在教學(xué)中打破時(shí)間順序重構(gòu)科學(xué)史，并補(bǔ)充相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充，可以更好地闡明植物向光性產(chǎn)生的原因，使結(jié)論更加嚴(yán)謹(jǐn)，進(jìn)而培養(yǎng)和提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 教材分析

“植物生長(zhǎng)素的發(fā)現(xiàn)”為高中生物學(xué)《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第五章第一節(jié)“植物生長(zhǎng)素”的第一課時(shí)，以植物的向光性現(xiàn)象為起點(diǎn)，并把向光性原因的解釋作為最后的落腳點(diǎn)，層層深入地揭示了植物向光性是在生長(zhǎng)素調(diào)節(jié)作用下產(chǎn)生的個(gè)體適應(yīng)現(xiàn)象。第一節(jié)的主要內(nèi)容包括：植物生長(zhǎng)素的發(fā)現(xiàn)，植物激素的概念，生長(zhǎng)素的合成、分布和運(yùn)輸以及生長(zhǎng)素的生理作用。本節(jié)內(nèi)容在結(jié)構(gòu)體系上體現(xiàn)了人們對(duì)科學(xué)理論的認(rèn)識(shí)過(guò)程和方法，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究的重要素材，更是歷年高考的熱點(diǎn)。

2 教學(xué)目標(biāo)

①說(shuō)出植物向光性的內(nèi)、外因。

②解釋生長(zhǎng)素運(yùn)輸機(jī)制及與向光性的關(guān)系，進(jìn)一步形成穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

③運(yùn)用科學(xué)探究的基本原理和方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

④參與植物向光性的討論，作出理性解釋和判斷，嘗試解決生產(chǎn)生活中的生物學(xué)問(wèn)題。

⑤基于生長(zhǎng)素發(fā)現(xiàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)，感知科學(xué)探究的曲折，認(rèn)同生物學(xué)家的貢獻(xiàn)和價(jià)值。

3 教學(xué)過(guò)程

在從宏觀的向光生長(zhǎng)現(xiàn)象到微觀的生長(zhǎng)素物質(zhì)的證明，再到生長(zhǎng)素橫向運(yùn)輸導(dǎo)致的分布不均勻?qū)е碌南嚓P(guān)性生長(zhǎng)，實(shí)質(zhì)上也是對(duì)生長(zhǎng)素概念的現(xiàn)象、實(shí)質(zhì)和外延的一系列教學(xué)過(guò)程。教師依照這一思路進(jìn)行概念教學(xué)，更容易幫助學(xué)生建構(gòu)概念，更加有利于從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從直觀到抽象的邏輯發(fā)展順序，更好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，加深其科學(xué)探究能力，也可以加深他們對(duì)過(guò)去實(shí)驗(yàn)方法的靈活運(yùn)用，增強(qiáng)與時(shí)俱進(jìn)、以史為鑒的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

3.1 植物向光性的直觀展示和顯微研究

教師提前4～5 d暗箱培養(yǎng)，用單側(cè)光照射，獲得明顯的向光性生長(zhǎng)植物。然后，向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)裝置（圖1），自然引入向光性原因的探究。同時(shí)，對(duì)植物放進(jìn)暗箱的前后對(duì)比使學(xué)生認(rèn)識(shí)到植物向光性的第一個(gè)原因即單側(cè)光，以及植物向光生長(zhǎng)的意義。

圖1 土豆苗暗箱處理7天后

教師提出問(wèn)題：植物為什么會(huì)向光生長(zhǎng)呢？并進(jìn)一步展示顯微鏡下向光側(cè)和背光側(cè)的細(xì)胞大小及數(shù)量的圖片（圖2），使學(xué)生明確：背光側(cè)比向光側(cè)生長(zhǎng)的快導(dǎo)致植物向光彎曲生長(zhǎng)，背光側(cè)細(xì)胞要比向光側(cè)細(xì)胞大而長(zhǎng)。

圖2 胚芽鞘向光側(cè)和背光側(cè)細(xì)胞模式圖

學(xué)生思考導(dǎo)致植物兩側(cè)不同程度生長(zhǎng)的原因。通過(guò)閱讀教材及教師的引導(dǎo)，學(xué)生可以得出：感光部位為胚芽鞘尖端、發(fā)生彎曲的部位為胚芽鞘的下部，并且胚芽鞘尖端產(chǎn)生了某種“影響”。如此為下一個(gè)階段的探索提供了基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)意圖：教師在對(duì)向光性研究中增添現(xiàn)代的顯微觀察，再介紹教材中達(dá)爾文的一系列實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)植物向光性現(xiàn)象，也可以增強(qiáng)學(xué)生利用相關(guān)儀器進(jìn)行直接觀察研究的意識(shí)。

3.2 化學(xué)物質(zhì)的探索

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：尖端產(chǎn)生了某種物質(zhì)嗎？如何去測(cè)定或者是提取這種物質(zhì)呢?教師展示鮑森·詹森的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：尖端產(chǎn)生的影響可以透過(guò)瓊脂片傳遞給下部。

接著，教師展示溫特的實(shí)驗(yàn)：把切下的燕麥尖端放在瓊脂上，再將經(jīng)處理過(guò)的瓊脂塊放在切去尖端的燕麥胚芽鞘的一側(cè)，結(jié)果胚芽鞘會(huì)朝對(duì)側(cè)彎曲生長(zhǎng)。但是，如果放置的是沒(méi)有接觸過(guò)胚芽鞘尖端的瓊脂塊，胚芽鞘則既不生長(zhǎng)也不彎曲。由此溫特的實(shí)驗(yàn)證明了胚芽鞘尖端產(chǎn)生的“影響”確實(shí)是一種化學(xué)物質(zhì)。溫特把這種物質(zhì)命名為生長(zhǎng)素。并提出問(wèn)題：生長(zhǎng)素的本質(zhì)是什么？

教師展示資料：1931年，科學(xué)家首先從人尿中分離出具有生長(zhǎng)素效應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)——吲哚乙酸（IAA）。由于生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)含量極少，直到1946年人們才從高等植物中分離出生長(zhǎng)素，并確定它就是一種化學(xué)物質(zhì)IAA。

設(shè)計(jì)意圖：化學(xué)物質(zhì)不能直觀地觀察到，就像酶、促胰液素等一樣，一方面能夠不依靠活細(xì)胞而進(jìn)行轉(zhuǎn)移，另一方面可以進(jìn)行提純結(jié)晶，最終確實(shí)的證明為是一種化學(xué)物質(zhì)。對(duì)化學(xué)物質(zhì)的反復(fù)證明也增強(qiáng)了學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。

3.3 生長(zhǎng)素分布不均勻?qū)е轮参锏南蚬庑陨L(zhǎng)

教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：生長(zhǎng)素如何導(dǎo)致植物的向光性生長(zhǎng)？并展示拜爾的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生得出：人為地使尖端不均勻分布也可以使得胚芽鞘彎曲生長(zhǎng)。由此，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出合理的假設(shè)：植物的向光性也可能是因?yàn)樯L(zhǎng)素的分布不均勻?qū)е碌摹?/p>

教師追問(wèn)：植物體中生長(zhǎng)素為什么會(huì)分布不均勻呢？學(xué)生進(jìn)一步提出假設(shè)：尖端受單側(cè)光的影響，可能出現(xiàn)了橫向運(yùn)輸，向光一側(cè)生長(zhǎng)素運(yùn)向背光一側(cè)，導(dǎo)致背光側(cè)生長(zhǎng)素多于向光一側(cè)。并嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明（表1）。

表1 學(xué)生假設(shè)、設(shè)計(jì)并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論

教師展示：Leopold等用C標(biāo)記IAA，設(shè)計(jì)并實(shí)施試驗(yàn)，從而證明光能夠刺激IAA從玉米胚芽鞘的向光側(cè)向背光側(cè)運(yùn)輸。教師引導(dǎo)學(xué)生討論、得出：?jiǎn)蝹?cè)光照射后，胚芽鞘尖端的生長(zhǎng)素發(fā)生橫向運(yùn)輸，使得胚芽鞘背光一側(cè)的生長(zhǎng)素多于向光一側(cè)，因而引起兩側(cè)的生長(zhǎng)不均勻，從而造成向光彎曲生長(zhǎng)。

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)生長(zhǎng)素與植物向光性的關(guān)系，完成從宏觀到微觀的生長(zhǎng)素發(fā)現(xiàn)及概念的教學(xué)。最后，學(xué)生閱讀教材中關(guān)于科學(xué)史的內(nèi)容，進(jìn)一步體會(huì)概念的得出與建構(gòu)過(guò)程與科學(xué)實(shí)驗(yàn)史的關(guān)系。

4 教學(xué)總結(jié)

本節(jié)教學(xué)充分依據(jù)了論證式教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)模式，也一步步地精細(xì)設(shè)計(jì)了生長(zhǎng)素概念建構(gòu)的過(guò)程，讓學(xué)生充分地參與其中。教師呈現(xiàn)的資料既有教材中科學(xué)史的資料，又有現(xiàn)在相關(guān)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，從而使一個(gè)完整的科學(xué)概念建構(gòu)過(guò)程呈現(xiàn)于學(xué)生腦海當(dāng)中，使學(xué)生更好地理解生物學(xué)概念的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。

教師適當(dāng)打破原本植物生長(zhǎng)素發(fā)現(xiàn)的歷史順序，遵循學(xué)生的思維邏輯順序，先從細(xì)胞水平認(rèn)識(shí)向光彎曲生長(zhǎng)現(xiàn)象和原因，再引出是由一定的化學(xué)物質(zhì)生長(zhǎng)素引起的，進(jìn)一步揭示出生長(zhǎng)素的橫向運(yùn)輸和不均勻分布，會(huì)更有利于學(xué)生邏輯思維的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生用現(xiàn)代眼光去整體的認(rèn)識(shí)科學(xué)史中的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于科學(xué)史的教學(xué)，教師既要尊重科學(xué)發(fā)展的艱辛和科學(xué)精神教育，也要適當(dāng)注意引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)去證實(shí)和驗(yàn)證，以達(dá)到提升學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。