STEM教育视角下的实验改进——以“探究植物细胞的吸水和失水”实验改进为例

甘肃省高台县第一中学(734300) 罗福海

STEM教育是基于真实问题情景，促进学生进行深度学习、探究学习的跨学科教育，有助于培养学生的生物学学科核心素养。“探究植物细胞的吸水和失水”是必修1新教材第4章“细胞的物质输入和输出”中的一个重要探究实验，涵盖了渗透吸水、失水原理等重要知识点，是中学生物教学的一个重难点。此实验中的原理、实验设计、装置改进和数据分析是开发STEM研究型课程的良好素材，具备与STEM教育理念无缝融合的优势。该项目融入STEM教育理念的教学目标分析见表1。

表1 “探究植物细胞的吸水和失水”STEM教学目标

1 合理取材(E)，有效建立工程意识

1.1 实验材料与仪器

本实验用到的材料为马铃薯，其他材料如萝卜、梨、菜瓜等也可以。在实验过程中用到的试剂和仪器包含胶水、蔗糖、红墨水、橡皮塞、清水、打孔器、5个细口瓶、刀片、1个100 mL烧杯以及若干个50 mL烧杯、牙签、玻璃棒、毛细吸管，其中毛细吸管可用空圆珠笔芯或吸管等替代。

1.2 材料的分割

用刀片将马铃薯进行切割，得到宽为试管半径一半左右、长为试管高度1/3～2/3的马铃薯长条。将马铃薯长条置入下文配置的溶液中使用。

2 强化建模(M)，综合设计实验装置

图1 简易装置

在橡皮塞大约中间的位置使用打孔器打孔，把毛细吸管插入孔中，至橡皮塞下方露出大约0.5 cm的距离为宜。毛细吸管的四周使用胶水密封，将少量红墨水注入位于橡皮塞上方的毛细吸管中，作为指示液柱。在橡皮塞下方插入能固定马铃薯长条的牙签，将其塞入细口瓶当中，检查气密性。若出现漏气情况，继续滴加胶水进行密封，当整个装置不再出现漏气情况时，便制得了本次实验的简易装置(见图1)。依次制作5套这样的简易装置备用。

3 妙用技术(T)，在实验中充分诠释生理意义

3.1 溶液的配制

在容量为100 mL烧杯中置入50 g左右的蔗糖，然后加清水至烧杯刻度线，使用玻璃棒进行搅拌。在50 mL烧杯中置入上述制备好的溶液50 mL左右，将其标记为1号溶液；继续将清水注入到之前的100 mL烧杯中，使得溶液达到刻度线标准，搅拌均匀后倒出50 mL左右的溶液置入50 mL的烧杯中，将其标记为2号溶液。依此方法继续得到3～8号溶液备用。

3.2 等渗溶液的筛选

在图1所示的简易装置中置入4号溶液，把马铃薯条固定到牙签上浸入到液体中，盖紧。实验进行5～10 min后，对红墨水的指示液柱进行观察：若指示液柱上移，证明细胞失水，表明外界溶液的浓度高于细胞液浓度，应使用较低浓度溶液，即5号与6号溶液。若指示液柱出现下移情况，则应使用较高浓度的溶液，即2号与3号溶液。当指示液柱位置没有发生太大变化时，则证明此溶液为等渗溶液。在本次实验中，由于使用材料的差异和人为制定溶液的原因，会出现液体浓度不一的状况，也有可能在实验的8种液体中未出现等渗溶液，这时就需要在实验溶液中继续稀释，寻找和筛选等渗溶液。将满足实验条件的等渗溶液标记为丙，浓度最高的溶液标记为甲，甲至丙之间的溶液标记为乙，小于丙溶液浓度的液体标记为丁，清水为戊，进行实验。

4 明确主旨(S)，实验改进指向教学内涵

教材中本实验是通过在低倍显微镜下观察洋葱鳞片叶外表皮细胞在清水和蔗糖溶液中的液泡大小、原生质层的位置来进行细胞吸水和失水状态的判断。改进后整个实验过程中不需要显微镜来观察，而是通过肉眼观察液滴移动就可以判断，大大简化了实验，更直观地展现了植物吸水和失水的动态过程。同时改进后的实验通过对等渗溶液的筛选，让学生从实质上理解植物细胞吸水和失水的原理。

4.1 演示实验

将制得的5套相同简易装置准备好，在5套装置中分别置入甲至戊5种溶液，盖紧，标记液滴起始位置，对红墨水的指示液柱进行观察。在实验进行了5～10 min后，观察液滴的移动情况，并用手触摸辨别马铃薯条的差异。

4.2 实验现象

根据上述实验操作，观察到实验结果如图2所示，不同溶液中液滴移动情况及马铃薯条的变化见表1。

图2 细胞吸水和失水时的液滴移动情况

编号指示液柱移动方向指示液柱移动幅度马铃薯条形状用手膜感觉差异甲上大弯曲软乙上较大弯曲较软丙不动无不变形无变化丁下较大挺直较硬戊下大挺直较硬

4.3 实验结论

通过实验现象可知：植物细胞存在吸水和失水两种状态；吸水和失水是动态变化的，其速度的快慢由细胞液和外界溶液的浓度差的大小来决定。当外界溶液的浓度大于细胞液浓度时，植物细胞失水，当外界溶液的浓度小于细胞液浓度时，植物细胞吸水，当外界溶液的浓度等于细胞液浓度时，植物细胞达到渗透平衡。

5 学习反思，多元评价提升素养

本次实验可以从对项目和对学生两个方面进行评价。通过反思，自我提升，促进学生的全面发展。相关评价内容及指标见表2。

表2 实验评价指标

本实验从学生项目化探究活动出发进行了实验改进。通过多学科知识融合改进实验的呈现方式，增加学科的教学内涵，促进学生高阶思维和创新能力发展，为提升学科核心素养找到了有效“固着点”。当然本实验还可以通过横向比较不同实验材料的吸水、失水情况，如分组比较马铃薯、萝卜、菜瓜在上述溶液中发生渗透现象时液柱的移动幅度、最终的形状、手感等，找到最适合的材料，进一步提升实验探究和选材的工程素养。