立足“五要素”提升科学探究素养的实验教学

童小丽　金兵　陈雪　马甜

关键词：五要素；科学探究；实验教学；渗透系统

文章编号：1003-7586（2024）01-0042-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中明确提出了科学探究是生物学学科核心素养之一，并指出科学探究是指“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”。

“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.分子与细胞》第4章第1节的实验内容。在日常教学中，教师更多关注实验的基本操作和实验现象，对通过实验发展学生科学探究素养的教学价值挖掘不够。本节课中，教师从“观察”“提问”“实验设计”“方案实施”“结果交流与讨论”五个要素进行实验教学，引导学生在完整的科学探究过程中全面发展科学探究的学科核心素养，并在基于事实和证据的背景下帮助学生建构“植物细胞是一个渗透系统”的概念。

1利用生活视频，提升发现观察能力

教师结合教材内容，利用延时摄影技术拍摄三段视频：①将萎蔫的叶片放在清水中，不久，菜叶就会变得硬挺；②将白菜剁碎放盐后，一会儿有水分渗出；③给一株盆栽植物施肥过多，出现“烧苗”现象。在三段视频播放完毕后，教师再播放菜店老板为蔬菜喷洒清水的视频。观看完视频后，教师邀请学生谈谈观察到的现象。

设计意图：教师在课堂上利用延时摄影技术，将生活现象浓缩，能够让学生在短时间内体验多种生活现象，增加课堂容量，激发学生的学习兴趣。同时，教师还可以培养学生用科学的眼光去看待身边事物的能力，使学生学会对比观察和联系社会。

2采取头脑风暴，提升提问假设能力

结合学生在视频中观察到的现象，教师引导学生进行小组内讨论、小组间讨论，学生打开思维，各抒己见，提出问题并尝试做出假设。

植物为什么会萎蔫呢？萎蔫的叶片放人清水中后，为什么变得硬挺呢？菜店老板给蔬菜喷洒清水是不是为了增加蔬菜斤两从而提高收入呢？猪肉需不需要喷洒清水？注水猪肉是怎么一回事？为什么白菜剁碎放盐后会有水分渗出呢？植物细胞能够吸水和失水吗？植物细胞在什么条件下吸水和失水？植物细胞是通过什么方式吸水和失水？植物细胞会一直吸水和失水吗？植物细胞失水和吸水的原因是什么？

学生思考的维度多种多样，有发散思维的，有对比思维的，有逆向思考的。学生提出的问题是多种多样的，但并不是所有的问题都有探究的价值或者契合本节课的教学主题。此时，教师紧紧围绕四个视频中的焦点——“植物”“吸水和失水”两个关键词，引导学生将问题聚焦在“水分进出细胞是通过渗透作用吗？”“原生质层是否相当于一层半透膜？”。然后，教师根据问题引导学生结合已经学过的渗透装置、渗透作用的概念等知识做出假设：“植物细胞是一个渗透系统”“原生质层相当于一层半透膜。”

设计意图：教师通过视频中展示的现象引导学生提出问题，筛选值得探究的科学问题，并结合已有知识和教材资料引导学生对问题做出解释，进而使学生做出假设，帮助学生体验根据现象提出问题、做出假设的科学研究要素。

3抓住实验思路，提升实验设计能力

在学生做出假设之后，教师需要引导学生进行实验设计。实验设计的思路往往包括根据原理进行选择材料、处理材料和检测材料“三部曲”。此时，教师可通过问题串的方式帮助学生选择、处理、检测材料。

3.1选择材料

实验材料包括实验用具、观察材料、实验试剂。教师提出如下问题：①植物细胞吸水和失水是微观过程，需要用什么仪器来观察？②植物细胞材料是选择没有颜色的还是有颜色的？未成熟的植物细胞可以吗？③在洋葱鳞片叶内表皮、洋葱鳞片叶外表皮、洋葱根尖分生区中选择合适的实验材料，请说出选择理由。④0.3 g/mL的蔗糖溶液、0.5 g/mL的蔗糖溶液、清水，哪种试剂适合用于实验来观察植物细胞的吸水、失水？

3.2处理材料

在材料处理的问题上，教师可以提出系列问题串，以引导学生厘清实验步骤：①用同一组洋葱鳞片叶作为实验材料，先观察细胞的吸水还是失水？②如何使洋葱鳞片叶表皮细胞处于失水状态？③如何使失水的洋葱鳞片叶表皮细胞吸水？④在观察洋葱细胞的吸水前，是否需要保持洋葱细胞的活性？如何保持洋葱细胞的活性？

3.3检测材料

实验过程中，选择实验材料的哪些结构进行观察检测并进行结果预测？为帮助学生解决这一问题，教师可以提出如下问题串：①細胞吸水与失水可能会导致哪些细胞结构变化？②可能会出现什么样的实验结果？根据上述问题及实验，设计实验结果记录表，见表1。

设计意图：生物学实验设计是基于问题和假设、解决问题、动手动脑的过程。这一过程中，教师引导学生根据相关的知识选择实验仪器、材料和试剂，拟定实验步骤，选用实验方法并预测结果。教师引导学生思考形成实验方案，能够帮助学生进一步提升实验设计能力。

4根据步骤操作，提升方案实施能力

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”实验设计出炉以后，教师请学生分小组根据既定步骤动手操作，记录实验结果。学生通过动手实验，亲身感受到了洋葱鳞片叶内外表皮的区别，亲身体验到了如何画一个“井”字撕取洋葱鳞片叶外表皮，切实掌握了“引流法”的具体操作，真真切切看到了液泡的变小变大和原生质层的皱缩与复原现象，学生进而逐步建构起“植物细胞是一个渗透系统”的概念。

设计意图：教师设计真实情境引导学生进行实验操作，帮助学生形成概念，提升方案实施能力。

5基于事实证据，提升交流讨论能力

教师引导学生基于两个实验事实进行分析交流和讨论，得出结论。

事实一：洋葱鳞片叶外表皮细胞在0.3 g/mL蔗糖溶液中发生质壁分离。

事实二：已经质壁分离的洋葱鳞片叶外表皮细胞在滴加清水后发生质壁分离复原。

教师根据事实一和事实二引导学生进行分析：在原生质层外侧滴入0.3 g/mL蔗糖溶液时，外界溶液浓度大于细胞液浓度，原生质层收缩，发生质壁分离。在原生质层外侧滴入清水时，外界溶液浓度小于细胞液浓度，原生质层伸展，发生质壁分离复原。

两个事实及分析都支持前面做出的假设——“原生质层相当于一层半透膜。”因此教师引导学生得出结论：“植物细胞是一个渗透系统。”

设计意图：教师引导学生通过分析实验结果（事实和证据）得出结论，培养学生科学探究的严谨态度，提升学生科学探究素养的“结果交流与讨论”能力。

6迁移拓展应用，评价实验教学效果

为有效促进教师的教和学生的学，在立足“五要素”完成本实验教学之后，教师选取人教版高中生物学教材《必修1.分子与细胞》第4章第1节中“练习与应用——拓展应用”第1题及第4章“复习与提高——非选择题”第3题，进行迁移拓展应用。教师请学生设计实验来测定细胞的细胞液浓度相当于多少质量分数的蔗糖溶液，并引导学生思考分析物质的量浓度为2mol/L的乙二醇溶液浸泡植物细胞时会引发的现象。如此一来，教师既检验了学生的学习效果，也能够帮助学生升华科学探究素养。

本节课以“观察”“提问”“实验设计”“方案实施”“结果交流与讨论”科学探究的“五要素”为课堂明线，以认识“植物细胞是一个渗透系统”为暗线，通过视频引导、头脑风暴、小组讨论、问题串、动手操作、分析交流、评价反思等形式，使学生学习成为一个主动探索的过程，让学生在不同任务的探究中逐步建构起“植物细胞是一个渗透系统”这一概念，体现了学生在课堂中的主体地位，有利于培养学生敢想、敢说、敢质疑的科学态度，有利于帮助学生掌握正确的科学探究方法和提升学生的科学探究素养。