“植物细胞吸水和失水的再探究”教学设计

2017-04-09黑龙江省大庆实验中学黑龙江大庆163000

生物学通报 2017年1期

陈　亮　（黑龙江省大庆实验中学　黑龙江大庆　163000）

1　学习内容分析

本节课选自人教版普通高中生物学必修1《分子与细胞》第4章第1节“物质跨膜运输的实例”。课程标准中对这部分的要求是“说明物质进出细胞的方式”［1］，教材中以水为例，安排了一个探究实验“植物细胞的吸水和失水”，这是高中教材中第1个探究实验。本节课是在教材实验的基础上结合学生在自主探究活动中发现的新问题，进行进一步探究；通过实验帮助学生形成渗透作用、质壁分离和原生质层相当于一层半透膜等重要概念，同时在实验中落实培养学生“科学探究和理性思维”的生物学科核心素养的要求。

2　学生学习基础分析

本校为黑龙江省示范性高中，生源较好，学生动手能力强。本节课的重要概念——渗透作用和质壁分离，具有很强的科普性，学生通过自学较易掌握。教材举例说明的质壁分离及复原现象，学生通过课前实践，也可顺利观察到，但学生在验证教材实验现象的同时，也会产生一些新的疑问，学生对这些发现作进一步研究的强烈兴趣为本课奠定了良好的心理基础和能力基础。

3　教学目标

1）知识目标：掌握渗透作用的原理，理解质壁分离现象发生的原理。

2）能力目标：熟练掌握显微镜的使用及装片制作的相关技能，通过对实验结果的观察记录，学会并掌握对实验数据进行记录、分析和处理的方法。

3）情感态度与价值观目标：增加自信，培养团队合作精神，提升自我创新意识。

4　教学重、难点

1）教学重点：引导学生实施探究实验，确定实验的材料、试剂的种类与浓度，并进行应用创新。

2）教学难点：在探究实验过程中培养学生的实践能力和创新能力。

5　教学策略

本节课采用了微课程-翻转课堂教学法，主要分为课前准备和课堂探究2个部分：

课前教师制作了4节微课，介绍本节课的重要概念如渗透作用、质壁分离等，学生自学后可以走进实验室验证教材的实验现象，同时产生很多新问题，教师对学生的问题进行统计和分析，归为3个研究方向，学生按照自己感兴趣的研究问题自动组成实验小组，并设计实验，为课堂探究活动做好准备。

课堂探究时，学生首先汇报本组实验设计，其他小组学生和教师提出修改意见，分组实验后学生代表汇报实验结果及结论，通过生生互动和师生互动讨论，对不符合预期的实验结果展开讨论，最后学生总结如何保证实验结果的准确性，以及对渗透作用的深刻理解。

6　教学过程

6.1课前准备

6.1.1课前微课程制作

①《渗透作用的原理》：介绍渗透作用的概念和条件、比较半透膜和选择透过性膜，强调渗透作用中比较的是溶液的物质的量浓度；②《细胞的质壁分离》：将动、植物细胞与渗透装置类比、阐述原生质层的概念；③《探究实验的步骤》：将探究实验的提出问题、作出假设、设计实验、进行实验、分析结果得出结论、表达和交流、进一步探究7个步骤作详细解释，并强调结果和结论的区别；④《实验操作》：介绍教材实验的流程，强调引流法等重要操作。

6.1.2学生自学微课学生观看微课，自学教材的相关概念，充分锻炼自学能力。同时教师还制作了与微课内容对应的自主学习任务单，以便学生检验自学效果，学生填写后上交，也便于教师了解学情，教师批改后对学生的正确率进行统计，正确率达到85%以上，说明学生通过自学，可以初步达成本课的知识目标。

6.1.3开放实验室学生走进实验室，验证微课所讲知识点，探究植物细胞吸水和失水，学生通过自主实验，可以熟悉实验操作，并通过实践引发深入思考，培养创新意识。

6.1.4提出问题，进一步探究教师汇总学生提出的新问题并将其归纳整理，主要集中在以下3个方向：小课题Ⅰ探究质壁分离的最佳材料；小课题Ⅱ探究质壁分离的蔗糖浓度；小课题Ⅲ探究其他溶液（葡萄糖、硝酸钾）对质壁分离的影响，这3个问题紧扣教材实验，有助于学生加深对教材内容的理解。

6.2课堂探究

6.2.1回顾课前，导入新课课前学生已经阅读教材并观看微课，填写、上交了自主学习任务单，也走进实验室进行了初步探究，并提出了很多新的问题，教师将问题进行汇总，发现主要集中在3个方面：探究质壁分离的植物材料、溶液浓度、溶质种类。学生已经分别选择了自己感兴趣的课题，由各小组汇报都有哪些想法，通过对课前内容的回顾过渡到课堂探究环节。

6.2.2小组代表汇报实验设计各小组代表在课前制作了幻灯片，汇报包括以下主要内容：①选择该小课题的理由；②材料或浓度选择；③实验流程；④结果预期。

第1组：探究质壁分离的理想材料。学生发现撕取洋葱紫色外表皮细胞时，有时会带有叶肉细胞，影响观察，因此他们想探究其他植物细胞（紫色洋葱内表皮、黑藻、玫瑰花瓣）能否代替，并按照取材、制片、拍照、滴加蔗糖、拍照、滴加清水、拍照的流程设计实验。黑藻和玫瑰花瓣细胞均有颜色，理论上应该能观察到质壁分离及复原现象，洋葱内表皮为无色细胞，可与前2种细胞进行对比。

第2组：探究质壁分离的蔗糖浓度。学生在课前实验时使用了0.3 g/mL的蔗糖，这次他们想探究不同浓度蔗糖溶液对质壁分离与复原的影响，他们配制了 0.1 g/mL、0.3 g/mL、0.5 g/mL、0.7 g/mL 4 种浓度的溶液，跨度较大，现象区别明显。实验过程中要保证无关变量一致，例如蔗糖溶液的体积和清水的滴数。学生认为0.1 g/mL的蔗糖不能确定能否使细胞质壁分离，0.5 g/mL和0.7 g/mL的蔗糖能使细胞发生更明显的质壁分离，但复原情况有待探究。教师为训练学生严谨的逻辑思维，追问：除清水和蔗糖溶液的体积外，还有哪些条件也应该保持一致？学生回答：选取初始状态相同的洋葱，尽量选择同一层的洋葱鳞片叶。

第3组：探究其他溶液对质壁分离的影响。葡萄糖是细胞的主要能源物质，应该会被细胞吸收，同时教材举例说明离子可以进入细胞，因此葡萄糖和硝酸钾可能会使细胞出现质壁分离自动复原，省去了加清水的步骤，简化实验环节。起初学生选择0.3 g/mL葡萄糖，但有的学生提出教师微课中提到浓度差应考虑物质的量浓度，经计算，0.16 g/mL葡萄糖与0.3 g/mL蔗糖的物质的量浓度基本相同；同理，他们选择了0.09 g/mL硝酸钾，但有细心的学生想到，硝酸钾在水中会发生完全电离，使物质的量浓度加倍，因此0.045 g/mL硝酸钾的离子物质的量浓度与0.3 g/mL蔗糖相等。学生预测0.16 g/mL葡萄糖和0.045 g/mL硝酸钾中都应该发生质壁分离自动复原。

通过汇报实验设计，锻炼了学生设计探究实验的能力，同时表达能力也得到了很好的提升，学生已经能运用自学的知识设计实验，说明已顺利掌握相关概念。

6.2.3分组实验学生制作装片、使用数码显微镜拍照，并将结果制作成幻灯片，以备汇报；实验的同时，学生也要完成课堂学习任务单，通过分组实验，在锻炼学生动手能力的同时，也培养了学生的团队精神和分工合作意识，初步达成本课的能力目标。

6.2.4汇报实验结果及结论

第1组：紫色洋葱外表皮细胞、玫瑰花瓣和黑藻都能发生质壁分离及复原，但玫瑰花瓣细胞太小，观察难度较大，且撕取到的往往是花瓣的表皮细胞；黑藻叶片很薄，可以放在载玻片上直接观察，但在北方取材受季节限制。综上，黑藻在一定程度上可代替洋葱外表皮，质壁分离的理想材料应易获取、易制片、有颜色、细胞大。教师追问：如果实验材料只有洋葱的内表皮细胞，如何能看到明显的质壁分离现象？学生回答：在外界溶液中滴加红墨水或蓝墨水，使实验现象更加明显。

第2组：0.1 g/mL蔗糖不能使细胞质壁分离；0.5 g/mL蔗糖细胞可以质壁分离，且相同时间内，质壁分离程度更明显，部分细胞质壁分离难以复原；0.7 g/mL蔗糖质壁分离非常明显，不能复原。教师总结：观察质壁分离及复原应选择高于细胞液浓度的溶液，但浓度不能过大，否则细胞将失水过多而死亡。过渡：如果改变溶质的种类，能否观察到质壁分离及复原的现象？

通过前2组学生的汇报和讨论，学生对于质壁分离的实验材料和蔗糖浓度有了更深的理解，通过亲身实践，也认识到教材选择的细胞和溶液浓度的科学性和严谨性。

第3组：对于质壁分离自动复原现象，学生观察到硝酸钾溶液中已经出现该趋势，而葡萄糖溶液中未能观察到，但学生认为等待时间较短，应进行更长时间的实验，以准确判断质壁分离的自动复原能否发生。此时展示教师课前完成的这个实验，结果显示葡萄糖溶液中（3 h连续观察），未发生质壁分离自动复原；硝酸钾溶液中45 min时，质壁分离基本自动复原，这与文献报道相符［2］（表1）。教师的实验有效解决了课堂实验时间不够的问题，对学生的实验结果进行了有效补充，利于学生分析问题。

表1　文献中关于硝酸钾使细胞自动复原的描述［2］

教师提问：根据实验结果，能否证明细胞吸收了钾离子和硝酸根？学生回答：不能，应该进一步探究究竟是钾离子还是硝酸根进入细胞。教师追问：应怎样设计实验？学生回答：选择含钾离子和硝酸根的其他无机盐。教师补充：有文献表明，在氯化钠溶液中细胞不能发生质壁分离自动复原［2］。学生继续回答：应选氯化钾和硝酸钠。氯化钠溶液如果不能使已发生质壁分离的细胞自动复原，证明钠离子和氯离子都不能被细胞吸收，所以，如果氯化钾溶液中细胞不能发生质壁分离自动复原，则证明细胞不能吸收钾离子；硝酸钠同理。根据教师的实验结果及文献数据，培养学生的理性思维和进一步探究的意识。

教师提问：葡萄糖溶液中细胞为什么没有发生质壁分离的自动复原？学生回答：葡萄糖进入细胞速度很慢；葡萄糖进入细胞质基质，未进入液泡，没有增加细胞液浓度……当已有的实验结果与理论知识不符时，学生没有盲从和迷信，而是寻找自身实验的问题，并有理有据地进行分析，体现了科学探究的本质。教师提问：细胞对于葡萄糖和硝酸钾吸收情况的不同，体现了细胞膜的什么特性？学生回答：选择透过性。紧扣教材结论，将学生的发散思维统一在教材内容中。对实验结果的讨论和汇报是本节课的核心环节，充分锻炼了学生分析问题和解决问题的能力，同时达成本课的能力目标和情感目标。

教师总结：今天大家完成了3个探究实验，实际上是对教材结论的拓展性研究，你认为在进行探究实验的过程中应该如何保证实验的准确性？学生先讨论后回答：应遵循单一变量原则和对照原则；注意实验的可重复性。这一环节目的是落实实验设计的2个原则，学生在讨论后加深对探究实验的理解。

结束语：生物学是一门以实验为基础的学科，教材中几乎每个结论都是科学家辛勤探索的结果。做好实验，才能更好理解生物学知识，探寻生命奥秘。对教学内容进行升华，同时对学生进行情感教育。

6.3课后延伸开放实验室，学生可以对硝酸钾和葡萄糖等问题继续探究；完成作业。