5E教学模式在“植物细胞的吸水和失水”实验教学中的应用

刘 欣

(北京师范大学附属中学 100052)

生物学是一门以实验为基础的自然科学，实验既是生物学教学的重要内容，也是生物学教学的重要方法。在生物学科新一轮课程改革中，强调探究式学习和概念教学[1]，实验探究教学是达成这一改革目的的重要教学方式，而在现代科学教育领域中具有重要地位的5E教学模式则可以为实验探究教学提供理论和操作层面的有力支持。

1 5E教学模式下的“植物细胞的吸水和失水”实验教学过程

“植物细胞的吸水和失水”实验是《分子与细胞》模块中“物质跨膜运输的实例”一节的主要内容。本节实验教学中，学生要通过设计和实施一系列实验，形成“渗透作用”“质壁分离及复原”和“选择透过性”等概念，并尝试运用这些概念来解释自然界中的相关问题。

1.1 吸引(engagement) 教师首先提出一个问题：将两组绿萝的根分别浸泡在按照1∶250和说明书要求的1∶2500比例稀释的清液肥中，哪一组绿萝长势将会更好？之后教师出示该实验的演示装置，其中第一组绿萝均已萎蔫，而第二组绿萝长势良好。致使学生提出疑问：为什么植物在高浓度的肥料溶液中会萎蔫呢？

此时教师提出本节课的学习要点：“植物个体的吸水和失水是通过其基本单位——细胞实现的，植物细胞吸水和失水的机理是什么呢？”从而引入下一环节的教学。

大多数学生存在这样一个前概念：植物体吸收水分是一个主动进行的过程，与土壤溶液的浓度无关。实验结果与学生预期的相悖暴露了学生的前概念，引发了认知冲突，促使学生产生了进一步探究的兴趣，为构建新概念做好了准备。

1.2 探究(exploration) 教师首先出示渗透作用的演示装置，并提出问题串：漏斗管内液面为什么会升高？为什么升高到一定程度就不再变化了？如果用一层纱布代替半透膜，漏斗管内的液面还会升高吗？如果烧杯中不是清水，而是与半透膜内同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？师生共同讨论后得出渗透作用的概念，之后教师进一步提问：植物细胞是通过渗透作用吸水和失水的吗？

教师鼓励学生通过实验来解决上述问题，并为学生提供各种材料用具，其中实验材料包括紫色洋葱鳞片叶和黑藻叶片，试剂包括0.3g/mL的蔗糖溶液、5%的NaCl溶液、10%的NaCl溶液、15%的甘油溶液、6%的KNO3溶液、6%的醋酸溶液和清水。

教师首先提出问题：如果植物细胞是通过渗透作用吸水和失水的，你认为选择什么溶液最容易观察到植物细胞的失水过程？怎样操作才能观察到植物细胞失水和吸水的全过程？

学生经过讨论后，会选择使用0.3g/mL的蔗糖溶液。因为该溶液浓度最高，并提出实验方案：先用清水制作植物细胞的临时装片，然后将清水换成蔗糖溶液，之后再换成清水，观察记录全过程中植物细胞的形态变化。学生预期植物细胞会在蔗糖溶液中失水皱缩，而在清水中吸水膨胀。教师肯定学生设计方案的科学性，并暂不纠正学生预期中的错误。

选择洋葱鳞片叶外表皮细胞和黑藻叶肉细胞的学生可顺利观察到质壁分离和复原现象，少数选择洋葱鳞片叶内表皮细胞的学生则会发现在无色溶液中很难观察到无色透明的细胞的形态变化，而要更换材料。

由于不同学生的操作能力有差异，教师可请提前完成实验的学生再制作一张洋葱鳞片叶外表皮细胞临时装片，并任选一种溶液，再做一组选做实验，并且鼓励同一圆桌的几个学生间交换观看实验结果。最终约有2/3的学生完成了选做实验。

在这一环节中，学生从分析模拟实验出发，尝试提出问题，作出假设，设计实验，动手探究，并对实验结果与预期结果之间的差异进行比较与分析，最终认识植物细胞也是一个渗透装置，而且由于细胞壁的存在，在失水和吸水过程中会发生质壁分离及复原的现象。在探究过程中，培养学生提出问题、设计和实施实验方案、收集和分析证据等能力。为学生提供选做实验的机会，既有利于不同程度的学生都得到充分的发展，也可为下一步的解释环节提供了更加丰富的材料支持。

1.3 解释(explanation) 教师首先请学生叙述必做实验的实验结果。由于紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的原生质层薄而透明，可让部分学生误认为质壁分离的细胞只有中央大液泡发生了失水收缩，而以黑藻叶肉细胞为实验材料的实验中，叶绿体的位置变化表明质壁分离细胞的原生质层整体发生了收缩，从而可帮助前一部分学生修正错误认识。

教师随后提出问题：为什么植物细胞在高浓度溶液中会发生质壁分离，转移到清水中又会复原？在学生回答的基础上，教师就一系列选做实验的结果提出问题串：为什么在15%的甘油溶液或6%的KNO3溶液中，部分细胞会在质壁分离后又迅速自动复原？为什么用10%NaCl溶液诱发质壁分离的细胞转移到清水中无法复原？为什么植物细胞在10%NaCl溶液中比在0.3g/mL蔗糖溶液中失水更多？为什么用6%的醋酸溶液无法诱发细胞质壁分离，而且将醋酸溶液换成0.3g/mL的蔗糖溶液后细胞依然不发生质壁分离？

最后，教师对学生的讨论结果进行归纳，解释渗透压的概念以及植物细胞通过渗透作用吸水和失水的原理，并给出相关的科学术语。

在本环节中，学生有充足的机会进行交流和讨论，尝试用自己的语言来阐述对质壁分离和复原现象的理解，学生之间既有相同观点的共鸣，也有不同观点的碰撞，而教师在此基础上稍做点拨和归纳，就能帮助学生完成从感性到理性，从特殊到一般的超越，实现对新概念的成功构建。这个过程中，学生获得的新概念不是被灌输的，而是在教师引导下逐步生成的，在概念生成的过程中，培养学生的自主推理、归纳演绎和表达交流等能力。

1.4 迁移(elaboration) 教师首先请学生回顾吸引环节中的问题：为什么高浓度清液肥中的绿萝会发生萎蔫？这对于农业生产中的施肥操作有何指导意义？在学生回答上述问题之后，教师又提出三个开放性的问题：没有中央大液泡但具有细胞壁的细胞，比如植物的分生区细胞或者细菌细胞，在高渗溶液中也能发生质壁分离吗？如何测定洋葱鳞片叶外表皮细胞细胞液的渗透压？海水的渗透压较高，为什么潮间带的红树林植物能够正常生存呢？请学生任选一个问题，课后自由结成学习小组进行探究。

本环节的问题设计具有一定的难度梯度，前两个问题学生稍加思考就能解答，并能将其运用到自己的生活实践中，这两个问题的设计也实现了本节课的首尾呼应，并引导学生关注生物学知识与人类生活的密切关系。后三个问题有一定的难度，学生需要通过做实验或查找资料做出解答。在迁移环节中，学生需要综合运用已有的细胞结构的知识和关于渗透作用的新概念来解决问题，最终实现新、旧概念间的整合，使新概念成为自身概念网络的有机组成部分。

1.5 评价(evaluation) 本节课通过实验报告和课后探究的任务完成情况对学生进行终结性评价，通过课堂上学生在回答问题，实验操作和小组交流等方面的表现对学生进行过程性评价，评价的主要目的是激发学生的成就感和推动学生不断反思、修正和深化对新概念的理解。评价结果表明，绝大多数学生在课堂上对学习任务非常专注，能正确运用新习得的方法和概念来解决迁移环节中的新问题，说明本节课的教学目的得到了有效的落实。

2总结

本节实验课教学中，在“吸引”环节暴露学生的前概念，利用认知冲突激发学生学习新概念的意愿；在“探究”环节中为学生提供机会观察不同植物细胞在各种溶液中的质壁分离和复原现象，用丰富的事实支撑学生初步建构概念；在“解释”环节中用问题串引导学生进行分析、综合、抽象和概括，形成概念；在“迁移”环节中鼓励学生运用新概念解决生活中的相关问题，将新概念纳入自身的概念体系中；在“评价”环节中时时关注学生的概念理解和掌握情况，帮助学生巩固和拓展概念。可见，5E模式下的实验教学过程是一个完整的引导学生主动建构概念的过程，符合概念教学的规律，与传统的仅将实验作为验证概念的手段的讲授式教学有着本质的区别。如果能将5E教学模式更多地运用到实验教学中，将会对帮助学生掌握核心概念、增强探究能力和提高生物学素养产生积极的促进作用。