通过“探究细胞液浓度”实验教学培养科学思维与探究能力

张 瑾 （北京市第四中学 北京 100034）

新颁布的《普通高中生物学课程标准（2017年版）》以培养学生的生物学核心素养为课程宗旨，倡导学生进行科学探究并形成科学思维习惯。浙科版高中生物学必修1“物质进出细胞的方式”这一节中的“探究洋葱表皮细胞液的浓度范围”实验正是培养学生探究能力和科学思维的有利契机，并有助于学生理解渗透过程，因而是一个重要的实验。但是，此实验将“引起约50%的细胞发生初始质壁分离的蔗糖浓度”作为判定标准，只能推测大致的细胞液浓度范围，学生很难准确分辨初始质壁分离的细胞，实验效果并不理想。此外，教材对实验数据的处理没有具体要求，通过实验培养学生科学思维的预期目标也难以实现。

事实上，将植物组织置于不同浓度的蔗糖溶液中发生渗透作用后，组织质量变化与蔗糖溶液浓度之间在一定范围内呈线性关系，这是引导学生进行探究、构建数学模型、培养科学思维的极好素材。进行建模教学不仅因为模型能直观地揭示内在规律，更因为构建模型的过程就是一种高层次的科学思维过程。因此，笔者尝试使用称量法通过简单的实验操作获得较为理想的实验效果，并在教学过程中引导学生设计实验，通过绘图构建数学模型分析实验结果、推测细胞液浓度，从而培养学生的科学思维和探究能力，提高生物学核心素养。

此外，学生通过前面的学习已经知道：植物细胞是一个渗透系统，原生质层相当于半透膜，对于应用已习得的知识进一步探究细胞液的浓度抱有很高的学习期待和热情。本校的学生学习能力较强、求知欲高，会以积极认真的态度参与实验过程。

综上，制定教学目标如下：阐明成熟的植物细胞是一个渗透系统； 尝试用称量法探究萝卜根部细胞的细胞液浓度，提高学生设计实验、运用绘图及数学建模等数学方法分析实验结果的科学探究能力，养成科学思维的习惯，提高生物学核心素养。本实验教学的重点是实验设计和实验数据分析；教学难点是实验数据分析。

1 实验的设计

1.1 实验目的 通过称量并比较水萝卜根部组织放在一系列梯度浓度蔗糖溶液中质量的变化，探究水萝卜根部细胞的细胞液浓度。

1.2 实验原理 成熟的植物细胞是一个渗透系统，原生质层相当于半透膜。植物组织与外界溶液接触时，当细胞液的浓度大于外界溶液的浓度，组织吸水、质量增大；当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度，组织失水、质量减小；若细胞液的浓度等于外界溶液的浓度，则水分交换保持动态平衡，组织 质 量不 变［1］。

1.3 实验准备

1）实验材料：新鲜的水萝卜储藏根。水萝卜绿皮红芯，俗称“心里美”。实验时最好选取含水量大、根的木质部为深红色的萝卜。

2）用具：电子天平（或天平、砝码）、250 mL 烧杯、封口膜、橡皮筋、内径为6 mm 的打孔器、刀、直尺、镊子、量筒、玻璃棒、药匙、培养皿、吸水纸、记号笔。

3）试剂：蔗糖、蒸馏水。

4）其他实验准备：拍摄实验操作特写照片、编制实验报告。学生课上进行蒸馏水及0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L、0.4 mol/L、0.5 mol/L、0.6 mol/L蔗糖溶液的实验； 教师课前进行0.7 mol/L、0.8 mol/L、0.9 mol/L、1.0 mol/L 蔗糖溶液的实验，拍照并记录数据，课上进行展示。

2.4 实验步骤 在本教学设计中，下述实验步骤的前5 步操作由教师指导部分学生课前完成，每组实验步骤如下：

①用蔗糖和蒸馏水配制0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L、0.4 mol/L、0.5 mol/L、0.6 mol/L 的蔗糖溶液各100 mL。将配制好的6 种不同浓度的蔗糖溶液及100 mL 蒸馏水分别倒入7 个250 mL 烧杯中，用记号笔做好标记。

②将萝卜切段，每段厚度约为3 cm。

③用打孔器在萝卜段的红色芯部（即木质部）上垂直地切出28 个长度约为3 cm 的萝卜条。

④4 个萝卜条为一组，用天平称量并记录每组萝卜条的质量，共记录7 组数据。

⑤将7 组萝卜条分别放入7 个装有100 mL蒸馏水或不同浓度蔗糖溶液的烧杯中，在阴凉通风处浸泡1.5 h［2］至过夜［3］。教师可根据排课需要选择浸泡时间。注意：长时间浸泡需盖上封口膜，绑好皮筋，防止液体过度蒸发。若使用分析天平，浸泡1.5 h 后就可测量结果；若使用普通天平，需浸泡2.5 h 以上，组织质量变化更大，利于测量。

⑥用镊子小心地将萝卜条从烧杯中取出，放置培养皿中，并用吸水纸轻轻吸去萝卜条表面的多余液体。注意：不要用吸水纸过度擦拭萝卜条表面，或将萝卜条长时间置于吸水纸上。

⑦观察萝卜条形态和颜色的变化，称量每组萝卜条的质量，并记录在实验报告中。

2 实验的实施

本实验活动安排1 课时。实验教学过程主要分为：实验设计、实验操作和实验分析。

2.1 引导学生设计、交流、评价、审读实验方案，培养学生科学探究能力

1）引导学生独立设计实验大致方案，组织讨论进行比较、判断。

首先，让学生在独立思考的基础上，自行设计探究植物细胞液浓度实验大体思路。然后，在全班进行分享交流。学生的设计思路集中在以下2 种：

方案1： 根据观察植物细胞在不同浓度溶液下的质壁分离的情况，判断细胞液的浓度。

方案2： 根据称量植物组织在不同浓度溶液中的失水或吸水产生的重量变化，判断细胞液的浓度。

前者是学生联想已经做过的“观察植物细胞的质壁分离和复原”实验进行的设计；后者是类比教师演示过的“探究渗透的条件”模拟实验而设计的方案。“探究渗透的条件”模拟实验是将3 个装有相同浓度、等体积的蔗糖溶液的透析袋，密封后分别置于清水、 相同浓度及更高浓度的蔗糖溶液中。一段时间后，置于清水中的透析袋内的液体变多，置于更高浓度蔗糖溶液中的透析袋内的液体变少，置于相同浓度溶液中的透析袋内的液体体积基本不变。

而后，教师引导学生归纳、 比较2 种方案的异、同点，并进行评价、判断。经过讨论，师生达成共识：2 种方案的实验原理相同，都是基于成熟的植物细胞是一个渗透系统而设计的；但本质不同，方案1 是定性实验，方案2 是用称量法进行定量实验，可获得更精确的实验结果，进而选择方案2。

2）根据实验材料，分组设计具体实验步骤并交流、完善。

教师告知学生可提供的材料、器具，以及与水萝卜根部细胞等渗的蔗糖浓度是在0 mol/L～0.6 mol/L的范围内。学生以小组为单位设计实验步骤，并在全班交流。学生一般都能考虑到配制梯度浓度的蔗糖溶液进行实验。在研讨实验步骤的过程中，教师引导学生从设计单因子变量、控制无关变量（例如切出形状、重量相近的萝卜）、重复实验等方面相互评价，完善实验方案。

3）审读实验报告，比较实验步骤异、同点，分析设计意图。

教师下发实验报告，让学生审读实验步骤，并与自己设计的实验步骤相比较，说明其中的异、同点，分析实验步骤的设计意图，进而培养学生的审读、归纳、说明能力。学生能够领会：用打孔器切萝卜的目的是使各组的萝卜条形状、重量相近；每组使用4 个萝卜条使得质量变化幅度增大，利于测量。

在以上实验设计的教学环节中，学生通过联想、类比、归纳、比较、判断等过程，训练了科学思维。教师安排多次讨论活动，将话语权更多地交给学生，以提高学生的参与度。不仅调动学生的积极性，且在设计、交流、评价实验方案的过程中也进一步提升了学生的科学探究能力。

2.2 组织学生分组进行实验操作 在实验操作的实施过程中，全班分为3 组进行重复实验，每组使用一个分析天平。若使用普通天平，可安排每2位学生使用一个普通天平，测量一种溶液中的萝卜条质量，组内汇总、分享数据。

为了有效利用课堂时间，实验操作步骤的前5 步已由教师指导部分学生课前完成，使用分析天平测量，萝卜条浸泡时间为1.5 h。课上，让参与实验准备的学生结合实验操作的特写照片讲解实验前5 步的操作要点； 教师再结合实验报告讲解最后2 步的操作要点，特别提示不要用吸水纸过度擦拭萝卜条表面，以免导致萝卜条失水过多。随后，学生以小组为单位讨论分工及操作细节，要点包括： 最好由1 名学生负责擦去萝卜条表面的水分，使各组萝卜条表面湿度相近，便于横向比较；萝卜条从擦干到称量的时间不宜过长，以免蒸发过多水分。

教师监督并指导学生操作实验，将实验数据记录在实验报告的《实验数据记录及分析表》中，组内分享数据，并由学生将数据输入教师电脑的Excel 数据表中。

2.3 引领学生运用数学方法深入分析实验结果，构建数学模型，进行科学思维训练 在实验教学过程中，引导学生分析实验数据获得结论，是进行科学思维训练的最好方式。因为科学思维是基于论证和逻辑推理的思维过程和方式。引导学生分析本实验获得的数据，就是对学生进行逻辑思维训练。但在以往的教学中，仅根据能引起约50%的细胞发生初始质壁分离的蔗糖浓度推测细胞液浓度的大致范围，舍弃了其他蔗糖浓度的实验结果中蕴含的宝贵信息，未能在全部实验数据的基础上估值。此外，植物组织发生渗透作用后，质量变化与蔗糖溶液浓度之间在一定范围内呈负相关，正是引导学生构建数学模型，培养科学思维的好材料。因此，笔者在教学中进行了如下尝试：

1）学生观察、展示并交流实验结果。随着蔗糖溶液浓度升高，萝卜条的体积变小，颜色变深。在蒸馏水和0.1 mol/L 蔗糖溶液中浸泡过的萝卜条体积比浸泡前体积更大、颜色更浅，在0.6 mol/L蔗糖溶液中浸泡过的萝卜条比浸泡前体积明显变小、颜色更深。学生很容易分析得出：萝卜条的颜色变浅是因为细胞液浓度高于外界溶液浓度，水分子跨越原生质层，进入液泡，使细胞液浓度降低； 同时细胞体积增大，使得组织胀大； 反之亦然。学生能预测：在一定蔗糖溶液浓度范围内，如果用更高浓度的蔗糖溶液浸泡萝卜条，萝卜条的体积会更小、颜色更深。教师展示预实验结果照片（图1）验证学生的猜想。

图1 教师预实验结果照片

让学生展示并交流实验结果，旨在培养学生观察和描述实验现象的能力，并实现学生间的相互评价。

2）进一步解读实验数据——计算萝卜条的质量变化的百分比。学生通过观察宏观的实验现象，已经推测萝卜条因渗透失水或吸水产生的质量变化与外界溶液的浓度有关。教师引导学生思考：二者在微观上是否存在明确的数量关系？学生能够回答： 可以比较每组萝卜条浸泡前、 后的质量差异。教师进一步质疑：尽管用打孔器切出的萝卜条的质量已经很相近，但每组萝卜条浸泡前的质量仍存在差异，应如何处理数据，以消除材料初始的质量差异？学生可以推理得出：用每组萝卜条的质量变化除以浸泡前的质量，计算各组材料质量变化的百分比，由此可消除材料初始质量的差异，使各组数据可以横向比较。

计算公式如下：

表1为某位学生在实验报告中记录并分析的实验数据。

表1 学生记录的实验数据记录及分析表

3）借助坐标纸绘图建立数学模型，分析实验数据获得结论。为了寻找实验数据中蕴含的规律，引导学生利用坐标纸绘制萝卜条的质量变化百分比随蔗糖溶液浓度变化图，并推荐一位学生在投影仪下绘图，方便课堂的交流与讨论。利用坐标纸绘图不仅便于课堂教学的组织，培养学生绘制、分析图表的能力，还能获得较为精确的数据。

将7 组实验数据标至图上，可见7 个点基本处于一条直线上。学生能归纳得出“蔗糖溶液浓度在0～0.6 mol/L 范围内，萝卜条的质量变化百分比与蔗糖溶液的浓度呈负相关”，进而添加一条直线作为趋势线。让直线通过尽可能多的点，不在直线上的点均匀分布在直线的两侧。所构建的数学模型能揭示萝卜条因渗透失水或吸水产生的质量变化与外界蔗糖溶液之间的关系。

然后，根据数学模型中趋势线与X 轴的焦点推断萝卜根部细胞的细胞液浓度。图2是学生绘图的照片，估值为0.440 mol/L，其他组的估值也与此相近。本次估值是建立在全部实验数据的基础上，对数据的分析更加科学、充分。

图2 学生在坐标纸上绘制的数据曲线

教师质疑： 如果将萝卜条置于蔗糖浓度更高的溶液中，实验数据对应的点是否始终在一条直线上？学生根据已学的细胞结构相关知识推测：当蔗糖溶液浓度高过一定范围后，随着蔗糖溶液浓度的升高，萝卜条质量变化的百分比下降速度将减缓。教师展示课前进行的更高浓度蔗糖溶液的预实验结果数据及绘制的关系图（图3），验证学生的预测。

4）分析误差，提出改进方案——运用Excel 软件汇总数据并精确计算。教师组织学生讨论误差来源，归纳如下：①实验操作：配制梯度浓度的蔗糖溶液时，有的溶液没有完全混匀；虽然都在萝卜的木质部取样，但是不同部位的组织结构仍存在差异；每组萝卜条浸泡后擦干的程度不统一。②数据分析：样本较少；通过目测添加的趋势线不够精确。

学生提出的改进方案如下： 尽量在同一个萝卜段上与中心点距离相同处的一个圆上打孔取样，从而减少组织结构的差异；每组由一位学生通过固定流程根据相同标准擦干材料上的水分；汇总全班数据或进行多次重复实验； 使用Excel 软件绘制趋势线，精确估值。

教师演示使用Excel 软件汇总、分析全班实验数据： 将全班3 组萝卜条的质量变化百分比取平均值；以蔗糖溶液浓度为横坐标，萝卜条的质量变化百分比为纵坐标，绘制“散点图”；添加趋势线时选择“线性”类型，并显示公式及R2值（图3）。R2值为0.985 说明趋势线与数据的拟合度很好，精确证明了 “蔗糖溶液浓度在0～0.6 mol/L 范围内，萝卜条质量变化的百分比与蔗糖溶液浓度呈负相关”。根据公式可计算出与萝卜根部细胞的等渗蔗糖溶液浓度约为0.446 mol/L，与学生使用坐标纸的估值很相近。本部分的教学将现代信息技术与生物学有机地结合，分析的结果更加精确，激发了学生的学习兴趣，并提高了科学思维水平。

图3 运用Excel 软件绘制萝卜条质量变化的百分比随蔗糖溶液浓度变化图

最后，教师再次引导学生迁移知识，设计实验：如果本实验不提供天平，而提供游标卡尺，应该如何设计？学生能类比分析得出可使用游标卡尺测量萝卜条的直径和长度，进而计算萝卜条的体积，通过探究萝卜条在不同浓度的蔗糖溶液中的体积变化，可分析得出萝卜细胞的细胞液浓度。

在以上实验分析过程中，学生体验了环环相扣、逐级递进的完整思维过程。教师引导学生构建数学模型分析实验数据，其论证过程严谨，逻辑推理结论可信，从而将培养学生的生物核心素养落到实处。

3 教学反思

本实验可简化为称量萝卜条在蒸馏水、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6mol/L 蔗糖溶液中的质量变化，也可获得不错的实验效果。或是探究萝卜条在蒸馏水、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L 蔗糖溶液中的质量变化，可先引导学生分析得出数据呈线性关系的范围，再添加趋势线。在教学中，也可以安排学生课前分组根据自己设计的实验方案进行探究，课上交流、 分析实验结果，每组实验结果可互为验证。

本实验所需的材料用具简单，成本较低，便于开展。但是温度、水萝卜品种及新鲜程度等因素都会对实验结果造成一定影响，教师需进行预实验。

致谢： 感谢北京第四中学特级教师郑春和老师、陈月艳老师的悉心指导，以及2019 届8 班叶元龙、祝敏哲、欧丽曳、杨洽同学的大力协助。