基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的高中生物學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

李金健

［摘 要］在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)盡可能地將生物學(xué)問題與生活情境聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行探究，使學(xué)生在探究過程中獲取知識、掌握方法、提升能力。以“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)為例，教師創(chuàng)設(shè)蔥段“開花”的魔術(shù)情境引入新課，提出探究問題“蔥段為什么會(huì)‘開花？”，引導(dǎo)學(xué)生對問題作出假設(shè)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。教師給學(xué)生提供黑藻和洋蔥作為實(shí)驗(yàn)材料，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，探究植物細(xì)胞是否能夠發(fā)生滲透吸水和失水及發(fā)生滲透吸水和失水的條件，使學(xué)生在探究過程中掌握科學(xué)探究的一般思路和方法，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

［關(guān)鍵詞］科學(xué)探究能力；教學(xué)設(shè)計(jì)；植物細(xì)胞；吸水；失水

［中圖分類號］ ? ?G633.91 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）11-0086-04

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）指出：“‘科學(xué)探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對結(jié)果的交流與討論的能力。學(xué)生應(yīng)在探究過程中，逐步增強(qiáng)對自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，提高實(shí)踐能力；在探究中，樂于并善于團(tuán)隊(duì)合作，勇于創(chuàng)新。”［1］5而評價(jià)學(xué)生科學(xué)探究的能力，主要看學(xué)生是否具備觀察能力、發(fā)現(xiàn)問題的能力、設(shè)計(jì)和實(shí)施探究方案以及探究結(jié)果的分析、交流等能力［1］62。高中生物學(xué)教材中的“探究·實(shí)踐”欄目涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不但有利于學(xué)生理解教材知識，而且為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力創(chuàng)造了良好的條件。結(jié)合新課標(biāo)要求，教師在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)盡可能地將生物學(xué)問題與生活情境聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行探究，使其在探究的過程中收獲知識、掌握科學(xué)探究的方法，進(jìn)而提升科學(xué)探究能力。下面以“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”的實(shí)驗(yàn)為例，探討基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的高中生物學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、教學(xué)內(nèi)容

“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”是人教版高中生物學(xué)教材必修1第4章第1節(jié)“被動(dòng)運(yùn)輸”中的內(nèi)容。植物細(xì)胞有細(xì)胞壁，成熟的植物細(xì)胞還有中央大液泡，這兩個(gè)特點(diǎn)使得植物細(xì)胞的吸水和失水現(xiàn)象與動(dòng)物細(xì)胞的吸水和失水現(xiàn)象有明顯的區(qū)別。因此，教材對植物細(xì)胞的吸水和失水進(jìn)行了單獨(dú)分析：一方面是水的進(jìn)出，主要是指水經(jīng)過原生質(zhì)層進(jìn)出液泡，這個(gè)過程中原生質(zhì)層不僅僅只是細(xì)胞膜，于是引出了原生質(zhì)層的概念；另一方面由于細(xì)胞壁的限制，植物細(xì)胞不會(huì)因?yàn)檫^度吸水而漲破。這些內(nèi)容都是“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)［2］。

相較于動(dòng)物細(xì)胞的吸水和失水，植物細(xì)胞的吸水和失水過程更為復(fù)雜，且對于該過程中原生質(zhì)層不僅僅是細(xì)胞膜，還包括液泡膜以及兩者之間的細(xì)胞質(zhì)，學(xué)生更是理解困難?？梢哉f這部分知識既是重點(diǎn)，也是易混點(diǎn)和難點(diǎn)。

“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)是一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，目的是通過實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)科學(xué)探究的一般方法［2］。部分教師在這節(jié)實(shí)驗(yàn)課中，往往先講授植物會(huì)發(fā)生滲透吸水和失水的理論知識，再讓學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，使得這個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)變?yōu)榱蓑?yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這是本節(jié)實(shí)驗(yàn)課中教師容易出現(xiàn)的一個(gè)教學(xué)誤區(qū)。

如何突破本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)？如何在本節(jié)實(shí)驗(yàn)課中真正落實(shí)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)目標(biāo)？教師在本節(jié)實(shí)驗(yàn)課前應(yīng)不斷思考這兩個(gè)問題。只有將這節(jié)實(shí)驗(yàn)課上好了，才能夠讓學(xué)生更好地理解被動(dòng)運(yùn)輸?shù)母拍睿閷W(xué)生之后生成“細(xì)胞膜是一種選擇透過性膜”的觀念做好鋪墊。

二、教學(xué)目標(biāo)

（1）能夠說出滲透作用的原理并運(yùn)用；

（2）能夠運(yùn)用材料完成植物細(xì)胞的吸水和失水的探究，初步掌握科學(xué)探究的一般思路和方法；

（3）能夠根據(jù)滲透作用的原理制作一份腌制食品。

三、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)蔥段“開花”的魔術(shù)情境，引入新課并提出問題

教師利用切開的大小、長度相同的蔥段為學(xué)生表演一個(gè)“魔術(shù)”：把兩根蔥段分別放入盛有等量清水和0.3 g/mL的蔗糖溶液中。片刻后取出蔥段，觀察蔥段的變化。蔥段大致變化過程如圖1所示。提問：這兩根蔥段發(fā)生了什么變化？放置在清水中的蔥段為什么會(huì)“開花”呢？

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察蔥段的形態(tài)變化，然后提出問題引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。

（二）引導(dǎo)學(xué)生針對問題作出假設(shè)

教師通過PPT展示利用物理滲透裝置演示水分子通過半透膜的滲透現(xiàn)象的過程，并提出以下問題：

（1）漏斗內(nèi)液面上升，是不是水分子只進(jìn)不出？

（2）如果用紗布代替玻璃紙，結(jié)果會(huì)如何？

（3）若把清水換成同樣濃度的蔗糖溶液，液面還會(huì)升高嗎？

（4）滲透作用所需的條件是什么？

教師在補(bǔ)充有關(guān)滲透作用的內(nèi)容后，將學(xué)生帶回“蔥段開花”情境中，進(jìn)一步提問：根據(jù)滲透作用的學(xué)習(xí)，能否嘗試對切開的蔥段在清水和蔗糖溶液中出現(xiàn)的不同變化的原因提出一個(gè)假設(shè)呢？學(xué)生思考后提出假設(shè)：清水中蔥段“開花”的原因可能是植物細(xì)胞發(fā)生了滲透吸水。

設(shè)計(jì)意圖：鑒于學(xué)生沒有滲透作用的知識儲(chǔ)備從而很難直接提出假設(shè)的情況，教師先講解滲透作用的原理及條件，讓學(xué)生有足夠的知識基礎(chǔ)去對相應(yīng)的問題提出假設(shè)，進(jìn)而為下面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及探究做好準(zhǔn)備。

（三）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究植物細(xì)胞的吸水和失水

1.選擇實(shí)驗(yàn)方案

活動(dòng)1 小組合作討論2分鐘，根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究的內(nèi)容，從以下4位同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案中選擇最好的一個(gè)并說出理由。

甲同學(xué)：制作2片裝片，分別進(jìn)行③→④→①和③→④→②

乙同學(xué)：制作1片裝片，進(jìn)行③→①→④→ ②→④

丙同學(xué)：制作1片裝片，進(jìn)行③→②→④→ ①→④

丁同學(xué)：制作1片裝片，進(jìn)行③→④→①→④→②→④

最終學(xué)生討論后認(rèn)為丁同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案更合理，即本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示。

設(shè)計(jì)意圖：出示四位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案讓學(xué)生進(jìn)行討論和選擇，為他們提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的“腳手架”，讓他們了解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案雖然有很多種，但是要根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行合理選擇。

2.選擇實(shí)驗(yàn)材料

教師首先用PPT展示以下三張有關(guān)實(shí)驗(yàn)材料的微觀細(xì)胞圖（如圖3）。

接著，教師提出問題：（1）現(xiàn)在有這三種實(shí)驗(yàn)材料可供選擇，為了更好地觀察，我們應(yīng)該選擇哪一種？為什么？（2）若要探究植物細(xì)胞的失水，應(yīng)該給植物細(xì)胞滴加0.3 g/mL的蔗糖溶液還是清水？（3）若要探究植物細(xì)胞的吸水，應(yīng)該給植物細(xì)胞滴加0.3 g/mL的蔗糖溶液還是清水？

設(shè)計(jì)意圖：將微觀細(xì)胞以圖片的形式直觀展示出來，幫助學(xué)生快速判斷并選擇適合的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行觀察，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中選材的依據(jù)及其重要性。

3.預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

活動(dòng)2 閱讀教材第63頁最后一段內(nèi)容，并思考問題：（1）植物原生質(zhì)層包括哪幾個(gè)部分？（2）若植物細(xì)胞失水，失去的水主要來自哪個(gè)結(jié)構(gòu)？（3）若失水前的細(xì)胞如圖4所示，請你和組員一起討論并預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后畫出細(xì)胞失水后的狀態(tài)圖。

學(xué)生討論后，畫出了如圖5所示的植物細(xì)胞模式圖。畫出圖5甲的學(xué)生認(rèn)為植物細(xì)胞失水后，只有液泡會(huì)收縮，所以液泡應(yīng)變小，但細(xì)胞膜不會(huì)收縮，依然緊貼細(xì)胞壁。畫出圖5乙的學(xué)生認(rèn)為細(xì)胞失水后，除了液泡會(huì)收縮，細(xì)胞膜也會(huì)收縮。

根據(jù)學(xué)生畫出的植物細(xì)胞模式圖，教師順勢提問：如果認(rèn)為植物細(xì)胞失水后，只有液泡會(huì)收縮，應(yīng)該選擇哪種有顏色的材料進(jìn)行觀察呢？學(xué)生很快想到使用洋蔥外表皮細(xì)胞。教師再提問：應(yīng)該選擇什么材料探究植物細(xì)胞膜在細(xì)胞失水的過程中是否會(huì)收縮呢？學(xué)生想到使用黑藻葉片細(xì)胞，因?yàn)楹谠迦~肉細(xì)胞有綠色的葉綠體，根據(jù)顏色的變化可以判斷細(xì)胞膜是否收縮。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過程中，根據(jù)教材的提示，知道“植物細(xì)胞失水時(shí)，水主要來自細(xì)胞液，所以液泡很可能會(huì)收縮”，但是不確定細(xì)胞膜是否會(huì)收縮，即不確定細(xì)胞膜是否也是半透膜，所以畫出了兩種植物細(xì)胞模式圖，引發(fā)了認(rèn)知沖突。教師順著這個(gè)“沖突”引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，去“實(shí)證”到底哪一個(gè)模式圖才是正確的。該過程的目的是考查學(xué)生能否針對自己提出的假設(shè)，選擇合適的材料并預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（四）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

活動(dòng)3 小組合作，選擇黑藻葉片或洋蔥外表皮作為實(shí)驗(yàn)材料，探究植物細(xì)胞的吸水和失水，并填寫實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表（見表1）。

如圖6所示是兩個(gè)小組選用洋蔥外表皮和黑藻葉片作為實(shí)驗(yàn)材料時(shí)觀察到的細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示。

結(jié)合兩組學(xué)生展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師提問：現(xiàn)在大家認(rèn)為，植物細(xì)胞滲透失水后的預(yù)期結(jié)果對應(yīng)哪一個(gè)圖呢？

通過觀察兩組學(xué)生展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生直觀地發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞失水時(shí)液泡會(huì)收縮，細(xì)胞膜也會(huì)收縮，所以一致認(rèn)為植物細(xì)胞滲透失水后的模式圖應(yīng)為圖5乙。

緊接著，教師繼續(xù)讓這兩組學(xué)生分別展示加入清水后植物細(xì)胞滲透吸水的結(jié)果。兩組學(xué)生都發(fā)現(xiàn)了植物發(fā)生滲透吸水后幾乎可以逐漸恢復(fù)為原來的樣子。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)直觀地觀察到不同植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離及復(fù)原的現(xiàn)象，從中認(rèn)識到植物細(xì)胞失水時(shí)液泡膜和細(xì)胞膜均會(huì)收縮，吸水后又會(huì)復(fù)原；引導(dǎo)學(xué)生遇到“矛盾”時(shí)，有興趣和動(dòng)力去“一探究竟”，并在完成實(shí)驗(yàn)后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否相符，進(jìn)而為得出正確結(jié)論做好鋪墊。

（五）得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)兩個(gè)小組展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生不難理解植物細(xì)胞滲透失水時(shí)，液泡膜和細(xì)胞膜均為半透膜，均會(huì)收縮，所以植物細(xì)胞失水時(shí)半透膜其實(shí)應(yīng)該是原生質(zhì)層，發(fā)生滲透吸水時(shí)的半透膜也是原生質(zhì)層。

教師再次提出問題：為什么植物細(xì)胞在滲透吸水和失水時(shí)其大小基本不變？進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出質(zhì)壁分離和質(zhì)壁復(fù)原的概念、發(fā)生的條件以及引發(fā)此現(xiàn)象的外因和內(nèi)因。

（六）總結(jié)提升

1.解釋蔥段為何會(huì)在清水中“開花”

教師利用PPT展示圖7并補(bǔ)充相關(guān)信息：蔥段管狀葉內(nèi)表皮細(xì)胞無蠟質(zhì)，隔水性較差；蔥段管狀葉外表皮細(xì)胞有蠟質(zhì)，隔水性較好。然后提問：據(jù)此信息，結(jié)合本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，你們能否解釋蔥段放入清水后出現(xiàn)圖示結(jié)果的原因？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生利用從實(shí)驗(yàn)探究中收獲的知識去解釋真實(shí)情境中的問題，提高學(xué)生知識遷移與運(yùn)用的能力。

2.了解南寧特色美食“酸嘢”的制作方法

教師拿出自制的“酸嘢”（腌制的酸蘿卜條），并講解腌制過程，讓學(xué)生觀察未腌制的蘿卜條和腌制后的蘿卜條的大小，并用手捏一捏，感受兩者硬度的區(qū)別，然后提問：為什么腌制后的蘿卜條變短、變軟了？學(xué)生能夠很快做出解釋：因?yàn)樵谥谱鳌八釃S”時(shí)加入了鹽、糖、醋等，使外界溶液的濃度大于蘿卜細(xì)胞液的濃度，蘿卜細(xì)胞發(fā)生了滲透失水，所以腌制后的蘿卜條會(huì)變短、變軟。最后，教師鼓勵(lì)學(xué)生回家后給家人制作一份美味可口的“酸嘢”。

設(shè)計(jì)意圖：將本節(jié)內(nèi)容與當(dāng)?shù)靥厣朗车闹谱髀?lián)系起來，讓學(xué)生感受到所學(xué)教材知識在生活真實(shí)情境中的體現(xiàn)，進(jìn)而學(xué)會(huì)將知識遷移應(yīng)用來解決問題，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

（七）完成評價(jià)量化表

教師將評價(jià)量化表（見表2和表3）發(fā)給學(xué)生，由學(xué)生自評，然后上交，最后由教師進(jìn)行總體評價(jià)。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)評價(jià)量化表，讓學(xué)生按照表中每一個(gè)步驟進(jìn)行自評。在實(shí)驗(yàn)操作評價(jià)表中列出每個(gè)步驟的規(guī)范操作，以便于學(xué)生檢驗(yàn)自身每個(gè)操作是否符合要求，知道哪些方面還有待提高，在一定程度上能讓學(xué)生在評價(jià)中獲得成長。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課中首先學(xué)習(xí)“植物細(xì)胞的吸水和失水”，然后學(xué)習(xí)“動(dòng)物細(xì)胞的吸水和失水”，知識點(diǎn)講解的順序相對于教材有一些調(diào)整，這樣調(diào)整的目的是把較難的知識點(diǎn)先呈現(xiàn)出來，通過引發(fā)認(rèn)知沖突——植物細(xì)胞發(fā)生滲透作用時(shí)半透膜是否包括細(xì)胞膜？引導(dǎo)學(xué)生通過運(yùn)用黑藻葉片和洋蔥外表皮細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在切實(shí)觀察到兩種材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，分析出植物細(xì)胞滲透作用的半透膜應(yīng)該是“原生質(zhì)層”，進(jìn)而解決“沖突”，生成概念，突破教學(xué)難點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)過程中，教師以真實(shí)情境“蔥段開花”導(dǎo)入新課，并提出問題：“放置在清水中的蔥段為什么會(huì)‘開花呢？”然后教師補(bǔ)充滲透作用的內(nèi)容，讓學(xué)生針對問題提出假設(shè)，以及針對假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。教師從實(shí)驗(yàn)方案的選擇及選材上逐步引導(dǎo)，再通過學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期結(jié)果是否相符，進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，即植物細(xì)胞會(huì)發(fā)生滲透吸水和失水，且半透膜是原生質(zhì)層。最后，再利用獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)論去分析蔥段為什么在清水中會(huì)“開花”。在這個(gè)過程中，學(xué)生是帶著真實(shí)情境的問題去完成實(shí)驗(yàn)探究的。通過實(shí)驗(yàn)探究獲取知識比教師直接灌輸給學(xué)生更有效、更深刻。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生逐步掌握了科學(xué)探究的一般思路和方法，為將來學(xué)習(xí)其他探究性實(shí)驗(yàn)做好鋪墊。

整節(jié)課下來，學(xué)生反饋學(xué)習(xí)效果比較好，學(xué)習(xí)興趣濃厚，參與度較高。該內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)總體符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，讓學(xué)生體會(huì)到了在“科學(xué)探究”中獲取知識并解決問題的樂趣，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］ ?人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書生物學(xué)教師教學(xué)用書：生物學(xué) ? 必修1 ? 分子與細(xì)胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［3］ ?張治.基于核心素養(yǎng)的教學(xué)評系列：新教學(xué)設(shè)計(jì) ? 高中生物學(xué) ? 必修 ? 第一冊［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2020.

（責(zé)任編輯 黃春香）