“植物细胞的吸水与失水”实验教学探究及反思

宋婷婷 王 妍

(合肥一六八新店花园学校 安徽合肥 230011)

“植物的生长需要水与无机盐”是苏教版初中《生物学》七年级上册中的第五章第三节。本节实验教学中需通过实验使学生能观察到植物根的吸水与失水，并且引导学生理解：当外界溶液浓度大于植物细胞液浓度的时候，植物细胞就会发生失水；当外界溶液浓度小于植物细胞液浓度的时候，植物细胞就会发生吸水。在实际的生物课堂实验教学中存在一个明显的难点：学生可以利用白萝卜根、蔗糖溶液、清水等进行实验，但是用普通的直尺难以精确地测量出实验前后的萝卜条的长度变化，于是学生只能对实验结果进行定性的描述，例如萝卜条好像变软了、萝卜条好像变硬了等。于是笔者创新地使用了更加精确的测量和称量工具，使实验结果从定性描述走向精确的定量描述，让实验结果更加科学。在实际的实验教学中，教师经常使用的实验材料有萝卜的根、白菜幼苗等，而笔者引导学生尝试了更多的实验材料进行实验探究，通过实验发现植物各器官在高浓度溶液中都会发生失水现象，在低浓度溶液中都会发生吸水现象。多种实验材料的尝试探究能帮助学生深入理解植物细胞吸水与失水的原理。《义务教育生物学课程标准》的课程基本理念要求提高生物科学素养与倡导探究性学习，探究性实验是倡导探究性学习、发展学生探究能力和提高生物科学素养的良好载体。

一、提出问题

笔者在与学生共同对此实验进行探讨的过程中，学生们提出了一些问题：萝卜条浸泡前后长度变化特别小，直尺无法精确测出萝卜条浸泡前后的长度变化怎么办？萝卜根细胞液的浓度是多少呢？除了植物的根，植物其他器官也能发生吸水或者失水吗？通过显微镜能否观察到植物细胞的吸水与失水、如何能拍摄到植物细胞吸水与失水的照片和视频呢？

二、设计思路

为了解决以上学生提出的问题，并达成本节的实验教学目标，本实验教学设计思路如下：教师引导学生进行宏观探究的分组实验、收集数据、验证假设并得出结论；再从宏观到微观，利用显微镜进行微观探秘。于是笔者引导学生进行了如下的实验教学探索。

三、教学过程

(一)宏观探究

探究1：萝卜条浸泡前后长度变化特别小，直尺无法测出萝卜条浸泡前后的长度变化怎么办？

笔者引导学生利用白萝卜根、自制打孔器、各浓度梯度的蔗糖溶液(0.1 g/ml、0.2 g/ml、0.3 g/ml、0.4 g/ml)、清水、小烧杯、量筒等材料进行分组探究实验，通过观察学生能明显感知萝卜根的软硬变化，但是用直尺测量萝卜条的长度变化无法精确地测量。于是放弃直尺，而是选择了可读数游标卡尺(可精确到0.01 mm)作为测量工具，测量了萝卜条浸泡前后的长度变化和直径变化。由于实验数据特别多，笔者将浸泡后的萝卜条长度减去浸泡前的萝卜条长度得到它们的差值，直接看浸泡前后萝卜条长度的差值更能直观地呈现实验结果，并且将实验数据还尝试处理成折线图，使实验数据能通过多种方式直观呈现。

表1 不同浓度蔗糖溶液浸泡萝卜条前后长度变化

表2 不同浓度蔗糖溶液浸泡萝卜条前后直径变化

探究2：萝卜根细胞液的浓度是多少？

学生在分组探究实验过程中集思广益，又提出了新问题：萝卜根细胞液的浓度是多少？通过师生交流、讨论，笔者指导学生可以在前面实验的基础上在蒸馏水和0.1 g/ml蔗糖溶液之间设置更小的浓度梯度(0.02 g/ml、0.04 g/ml、0.06 g/ml、0.08 g/ml)进一步进行实验，记录实验数据，同时提醒学生注意控制变量与重复实验，以保证实验的科学性。对浸泡前后萝卜条长度差值、浸泡前后萝卜条直径差值中的数据进行分析，可以直观地得出萝卜根细胞液的浓度更精确的范围是0.08 g/ml～0.1 g/ml。虽然此实验并没有测出萝卜根细胞液的浓度，但是进一步精确了萝卜根细胞液的浓度范围，对于学生来说是一次非常有意思的实验探索。

表3 不同浓度蔗糖溶液浸泡萝卜条前后长度变化

表4 不同浓度蔗糖溶液浸泡萝卜条前后直径变化

探究3：除了植物的根，植物其他器官也能发生吸水或者失水吗？

在实验中，学生的思维是非常活跃的，他们又提出了以上新的问题：除了植物的根，植物其他器官也能发生吸水或者失水吗？于是教师引导学生选择不同的植物器官分组进行探究实验，通过讨论与反复尝试，学生最终选择的实验材料是：土豆植株的茎、绿萝植株的叶、百合植株的花、苹果植株的果实、大豆植株的种子。全班分成了五个实验小组，在学生分组实验中笔者也反复提醒学生注意控制变量与重复实验，例如称量材料的质量前后必须吸干材料表面的水分，防止实验数据出现过大误差，以保证实验结果的科学性。在测量数据时，土豆的茎与苹果的果实采取的方式是打孔器打孔后，利用可读数游标卡尺测量长度的变化。而绿萝的叶、百合的花和大豆的种子不方便测量长度，用电子天平(可精确到0.001 g)称量质量的变化。学生记录实验数据，并同样用浸泡后的长度或者质量减去浸泡前的长度或者质量得到差值,例如土豆茎浸泡前后长度变化和绿萝叶浸泡前后质量变化。通过分析以上实验数据，学生发现在蒸馏水中，植物各器官都会发生吸水现象，在高浓度溶液中植物各器官都会发生失水现象。而不同植物器官浸泡在各浓度梯度蔗糖溶液中发生吸水或者失水所测数据的差异，应当与各植物器官细胞液的浓度差异有关。

表5 土豆茎浸泡前后长度变化

表6 绿萝叶浸泡前后质量变化

(二)微观探秘

通过宏观探究部分的三个层层递进的实验，学生发现在低浓度溶液中植物的各器官都会吸水，在高浓度溶液中植物的各器官都会失水。植物的组成是具有层次性的，构成植物最小的、最基本的层次是细胞，也就是说植物细胞是植物体结构与功能的基本单位。植物各器官的吸水与失水应当与植物细胞的吸水和失水有关，但是植物细胞是肉眼不可见的，是非常微观的。学生于是提出了新的问题：通过显微镜能否观察到植物细胞的吸水与失水呢？如何能拍摄到植物细胞吸水与失水的照片和视频呢？师生通过讨论与尝试弃用了普通光学显微镜，而是选择了更便捷的数码显微镜，还有紫色洋葱外表皮，蒸馏水，0.1 g/ml、0.2 g/ml、0.3 g/ml、0.4 g/ml的蔗糖溶液，小烧杯，滴管，载玻片，盖玻片等材料进行了微观探秘。通过数码显微镜与电脑相连接可以直接用电脑操作实时拍摄视频或者图片。学生制作了临时玻片标本后放置在数码显微镜下观察，发现分别用0.1 g/ml、0.2 g/ml、0.3 g/ml、0.4 g/ml的蔗糖溶液引流后，紫色洋葱外表皮细胞都出现了失水现象并且都拍摄了视频和图片。通过本次微观探秘，学生尝试使用了数码显微镜，并且成功观察到了在高浓度溶液中植物细胞发生的失水现象和在低浓度溶液中发生的吸水现象。在师生的共同努力下，实验探索从宏观探究部分成功延伸到了微观探秘部分，学生也获得了较多珍贵的视频和图片资料。

四、实验改进与创新

(一)实验仪器的选择创新

宏观探究实验选择了精确度更高的可读数游标卡尺(可精确到0.01 mm)和电子天平(可精确到0.001 g)代替普通直尺和普通天平进行测量和称量，提高了实验结果的可信度和科学性。在微观探秘中选择了数码显微镜代替普通光学显微镜，可以连接电脑拍摄视频和图片，实验结果的呈现更加直观，也可以通过计时使实验结果表述由定性改为定量，实验更加科学与直观。在建构模型中，创造性地使用了3D打印笔，打印出了模拟细胞壁的模型。

(二)实验材料的选择创新

宏观探究实验中创新性地选择了土豆的茎、绿萝的叶、百合的花、苹果果实、大豆种子等植物的器官进行了探究实验，而不再局限于书本中提到的植物的幼苗和教师常用的萝卜的根。这就拓宽了学生的视野，加深了学生对植物细胞吸水原理的理解。

(三)实验数据的处理创新

宏观探究实验中有大量的实验数据，笔者引导学生对实验数据进行了处理，得出用各浓度梯度蔗糖溶液浸泡前后数据的差值，使得实验结果的呈现更加直观，有利于学生分析实验结果和得出实验结论。笔者还引导学生尝试将实验数据制作成折线图，学生实现了用文字、图表等多种方式来表述实验结果。

五、教学反思

本实验教学探索创新性地使用了精确度更高、更直观的实验仪器，拓展了可选择的实验材料，大胆地尝试了建构模型，引导学生自己动手设计、参与实验，培养了学生的科学探究思维方式，发展了学生的科学探究能力。学生从宏观探究、微观探秘、建构模型多角度体验了实验探索的乐趣。但是，在建构植物细胞吸水模型的时候，笔者和学生尝试用橡皮筋密封玻璃纸模拟原生质层，原生质层是有一定弹性的，而玻璃纸的弹性非常小，因此制作好的模型无法观察到吸水导致原生质层变大的现象，而是通过插入玻璃管来代替，玻璃管内液面上升了，说明发生了吸水现象。