基于科学探究能力培养的高中生物学教学设计

李金健

［摘 要］在高中生物学实验教学中，教师应尽可能地将生物学问题与生活情境联系起来，引导学生针对特定的生物学现象进行探究，使学生在探究过程中获取知识、掌握方法、提升能力。以“探究植物细胞的吸水和失水”实验为例，教师创设葱段“开花”的魔术情境引入新课，提出探究问题“葱段为什么会‘开花？”，引导学生对问题作出假设并设计实验进行探究。教师给学生提供黑藻和洋葱作为实验材料，引导学生设计对比实验，探究植物细胞是否能够发生渗透吸水和失水及发生渗透吸水和失水的条件，使学生在探究过程中掌握科学探究的一般思路和方法，培养科学探究能力。

［关键词］科学探究能力；教学设计；植物细胞；吸水；失水

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）11-0086-04

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）指出：“‘科学探究是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。学生应在探究过程中，逐步增强对自然现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力；在探究中，乐于并善于团队合作，勇于创新。”［1］5而评价学生科学探究的能力，主要看学生是否具备观察能力、发现问题的能力、设计和实施探究方案以及探究结果的分析、交流等能力［1］62。高中生物学教材中的“探究·实践”栏目涉及的实验内容，不但有利于学生理解教材知识，而且为培养学生的科学探究能力创造了良好的条件。结合新课标要求，教师在高中生物学实验教学中应尽可能地将生物学问题与生活情境联系起来，引导学生针对特定的生物学现象进行探究，使其在探究的过程中收获知识、掌握科学探究的方法，进而提升科学探究能力。下面以“探究植物细胞的吸水和失水”的实验为例，探讨基于科学探究能力培养的高中生物学教学设计。

一、教学内容

“探究植物细胞的吸水和失水”是人教版高中生物学教材必修1第4章第1节“被动运输”中的内容。植物细胞有细胞壁，成熟的植物细胞还有中央大液泡，这两个特点使得植物细胞的吸水和失水现象与动物细胞的吸水和失水现象有明显的区别。因此，教材对植物细胞的吸水和失水进行了单独分析：一方面是水的进出，主要是指水经过原生质层进出液泡，这个过程中原生质层不仅仅只是细胞膜，于是引出了原生質层的概念；另一方面由于细胞壁的限制，植物细胞不会因为过度吸水而涨破。这些内容都是“探究植物细胞的吸水和失水”实验的理论基础［2］。

相较于动物细胞的吸水和失水，植物细胞的吸水和失水过程更为复杂，且对于该过程中原生质层不仅仅是细胞膜，还包括液泡膜以及两者之间的细胞质，学生更是理解困难。可以说这部分知识既是重点，也是易混点和难点。

“探究植物细胞的吸水和失水”实验是一个探究性实验，目的是通过实验探究，让学生进一步学习科学探究的一般方法［2］。部分教师在这节实验课中，往往先讲授植物会发生渗透吸水和失水的理论知识，再让学生动手做实验，使得这个探究性实验变为了验证性实验。这是本节实验课中教师容易出现的一个教学误区。

如何突破本节课的教学难点？如何在本节实验课中真正落实学生科学探究能力的培养目标？教师在本节实验课前应不断思考这两个问题。只有将这节实验课上好了，才能够让学生更好地理解被动运输的概念，并为学生之后生成“细胞膜是一种选择透过性膜”的观念做好铺垫。

二、教学目标

（1）能够说出渗透作用的原理并运用；

（2）能够运用材料完成植物细胞的吸水和失水的探究，初步掌握科学探究的一般思路和方法；

（3）能够根据渗透作用的原理制作一份腌制食品。

三、教学过程

（一）创设葱段“开花”的魔术情境，引入新课并提出问题

教师利用切开的大小、长度相同的葱段为学生表演一个“魔术”：把两根葱段分别放入盛有等量清水和0.3 g/mL的蔗糖溶液中。片刻后取出葱段，观察葱段的变化。葱段大致变化过程如图1所示。提问：这两根葱段发生了什么变化？放置在清水中的葱段为什么会“开花”呢？

设计意图：创设真实情境，引导学生观察葱段的形态变化，然后提出问题引发学生思考，激发学生的学习兴趣和求知欲。

（二）引导学生针对问题作出假设

教师通过PPT展示利用物理渗透装置演示水分子通过半透膜的渗透现象的过程，并提出以下问题：

（1）漏斗内液面上升，是不是水分子只进不出？

（2）如果用纱布代替玻璃纸，结果会如何？

（3）若把清水换成同样浓度的蔗糖溶液，液面还会升高吗？

（4）渗透作用所需的条件是什么？

教师在补充有关渗透作用的内容后，将学生带回“葱段开花”情境中，进一步提问：根据渗透作用的学习，能否尝试对切开的葱段在清水和蔗糖溶液中出现的不同变化的原因提出一个假设呢？学生思考后提出假设：清水中葱段“开花”的原因可能是植物细胞发生了渗透吸水。

设计意图：鉴于学生没有渗透作用的知识储备从而很难直接提出假设的情况，教师先讲解渗透作用的原理及条件，让学生有足够的知识基础去对相应的问题提出假设，进而为下面的实验设计及探究做好准备。

（三）设计实验，探究植物细胞的吸水和失水

1.选择实验方案

活动1 小组合作讨论2分钟，根据实验探究的内容，从以下4位同学设计的实验方案中选择最好的一个并说出理由。

甲同学：制作2片装片，分别进行③→④→①和③→④→②

乙同学：制作1片装片，进行③→①→④→ ②→④

丙同学：制作1片装片，进行③→②→④→ ①→④

丁同学：制作1片装片，进行③→④→①→④→②→④

最终学生讨论后认为丁同学的实验方案更合理，即本实验的实验方案如图2所示。

设计意图：出示四位同学的实验设计方案让学生进行讨论和选择，为他们提供一个实验方案设计的“脚手架”，让他们了解实验设计方案虽然有很多种，但是要根据具体实验目的进行合理选择。

2.选择实验材料

教师首先用PPT展示以下三张有关实验材料的微观细胞图（如图3）。

接着，教师提出问题：（1）现在有这三种实验材料可供选择，为了更好地观察，我们应该选择哪一种？为什么？（2）若要探究植物细胞的失水，应该给植物细胞滴加0.3 g/mL的蔗糖溶液还是清水？（3）若要探究植物细胞的吸水，应该给植物细胞滴加0.3 g/mL的蔗糖溶液还是清水？

设计意图：将微观细胞以图片的形式直观展示出来，帮助学生快速判断并选择适合的实验材料进行观察，让学生了解实验设计中选材的依据及其重要性。

3.预测实验结果

活动2 阅读教材第63页最后一段内容，并思考问题：（1）植物原生质层包括哪几个部分？（2）若植物细胞失水，失去的水主要来自哪个结构？（3）若失水前的细胞如图4所示，请你和组员一起讨论并预测实验结果，然后画出细胞失水后的状态图。

学生讨论后，画出了如图5所示的植物细胞模式图。画出图5甲的学生认为植物细胞失水后，只有液泡会收缩，所以液泡应变小，但细胞膜不会收缩，依然紧贴细胞壁。画出图5乙的学生认为细胞失水后，除了液泡会收缩，细胞膜也会收缩。

根据学生画出的植物细胞模式图，教师顺势提问：如果认为植物细胞失水后，只有液泡会收缩，应该选择哪种有颜色的材料进行观察呢？学生很快想到使用洋葱外表皮细胞。教师再提问：应该选择什么材料探究植物细胞膜在细胞失水的过程中是否会收缩呢？学生想到使用黑藻叶片细胞，因为黑藻叶肉细胞有绿色的叶绿体，根据颜色的变化可以判断细胞膜是否收缩。

设计意图：学生在预测实验结果的过程中，根据教材的提示，知道“植物细胞失水时，水主要来自细胞液，所以液泡很可能会收缩”，但是不确定细胞膜是否会收缩，即不确定细胞膜是否也是半透膜，所以画出了两种植物细胞模式图，引发了认知冲突。教师顺着这个“冲突”引导学生选择合适的材料进行实验，去“实证”到底哪一个模式图才是正确的。该过程的目的是考查学生能否针对自己提出的假设，选择合适的材料并预测实验结果。

（四）進行实验，分析实验结果

活动3 小组合作，选择黑藻叶片或洋葱外表皮作为实验材料，探究植物细胞的吸水和失水，并填写实验结果记录表（见表1）。

如图6所示是两个小组选用洋葱外表皮和黑藻叶片作为实验材料时观察到的细胞发生质壁分离前后的实验结果展示。

结合两组学生展示的实验结果，教师提问：现在大家认为，植物细胞渗透失水后的预期结果对应哪一个图呢？

通过观察两组学生展示的实验结果，学生直观地发现植物细胞失水时液泡会收缩，细胞膜也会收缩，所以一致认为植物细胞渗透失水后的模式图应为图5乙。

紧接着，教师继续让这两组学生分别展示加入清水后植物细胞渗透吸水的结果。两组学生都发现了植物发生渗透吸水后几乎可以逐渐恢复为原来的样子。

设计意图：学生通过实验直观地观察到不同植物细胞的质壁分离及复原的现象，从中认识到植物细胞失水时液泡膜和细胞膜均会收缩，吸水后又会复原；引导学生遇到“矛盾”时，有兴趣和动力去“一探究竟”，并在完成实验后分析实验结果与预期的实验结果是否相符，进而为得出正确结论做好铺垫。

（五）得出实验结论

根据两个小组展示的实验结果，学生不难理解植物细胞渗透失水时，液泡膜和细胞膜均为半透膜，均会收缩，所以植物细胞失水时半透膜其实应该是原生质层，发生渗透吸水时的半透膜也是原生质层。

教师再次提出问题：为什么植物细胞在渗透吸水和失水时其大小基本不变？进而引导学生总结出质壁分离和质壁复原的概念、发生的条件以及引发此现象的外因和内因。

（六）总结提升

1.解释葱段为何会在清水中“开花”

教师利用PPT展示图7并补充相关信息：葱段管状叶内表皮细胞无蜡质，隔水性较差；葱段管状叶外表皮细胞有蜡质，隔水性较好。然后提问：据此信息，结合本节课所学内容，你们能否解释葱段放入清水后出现图示结果的原因？

设计意图：引导学生利用从实验探究中收获的知识去解释真实情境中的问题，提高学生知识迁移与运用的能力。

2.了解南宁特色美食“酸嘢”的制作方法

教师拿出自制的“酸嘢”（腌制的酸萝卜条），并讲解腌制过程，让学生观察未腌制的萝卜条和腌制后的萝卜条的大小，并用手捏一捏，感受两者硬度的区别，然后提问：为什么腌制后的萝卜条变短、变软了？学生能够很快做出解释：因为在制作“酸嘢”时加入了盐、糖、醋等，使外界溶液的浓度大于萝卜细胞液的浓度，萝卜细胞发生了渗透失水，所以腌制后的萝卜条会变短、变软。最后，教师鼓励学生回家后给家人制作一份美味可口的“酸嘢”。

设计意图：将本节内容与当地特色美食的制作联系起来，让学生感受到所学教材知识在生活真实情境中的体现，进而学会将知识迁移应用来解决问题，实现学以致用。

（七）完成评价量化表

教师将评价量化表（见表2和表3）发给学生，由学生自评，然后上交，最后由教师进行总体评价。

设计意图：设计评价量化表，让学生按照表中每一个步骤进行自评。在实验操作评价表中列出每个步骤的规范操作，以便于学生检验自身每个操作是否符合要求，知道哪些方面还有待提高，在一定程度上能让学生在评价中获得成长。

四、教学反思

本节课中首先学习“植物细胞的吸水和失水”，然后学习“动物细胞的吸水和失水”，知识点讲解的顺序相对于教材有一些调整，这样调整的目的是把较难的知識点先呈现出来，通过引发认知冲突——植物细胞发生渗透作用时半透膜是否包括细胞膜？引导学生通过运用黑藻叶片和洋葱外表皮细胞作为实验材料进行实验探究，在切实观察到两种材料的实验结果后，分析出植物细胞渗透作用的半透膜应该是“原生质层”，进而解决“冲突”，生成概念，突破教学难点。

在实验过程中，教师以真实情境“葱段开花”导入新课，并提出问题：“放置在清水中的葱段为什么会‘开花呢？”然后教师补充渗透作用的内容，让学生针对问题提出假设，以及针对假设设计实验。教师从实验方案的选择及选材上逐步引导，再通过学生自主完成实验并分析实验结果和预期结果是否相符，进而得出实验结论，即植物细胞会发生渗透吸水和失水，且半透膜是原生质层。最后，再利用获得的实验结论去分析葱段为什么在清水中会“开花”。在这个过程中，学生是带着真实情境的问题去完成实验探究的。通过实验探究获取知识比教师直接灌输给学生更有效、更深刻。同时，在实验过程中学生逐步掌握了科学探究的一般思路和方法，为将来学习其他探究性实验做好铺垫。

整节课下来，学生反馈学习效果比较好，学习兴趣浓厚，参与度较高。该内容的教学设计总体符合学生的认知发展规律，让学生体会到了在“科学探究”中获取知识并解决问题的乐趣，培养了学生的科学探究能力。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］  人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书生物学教师教学用书：生物学   必修1   分子与细胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［3］  张治.基于核心素养的教学评系列：新教学设计   高中生物学   必修   第一册［M］.北京：北京师范大学出版社，2020.

（责任编辑 黄春香）