“植物對(duì)水分的吸收和利用”一節(jié)的教學(xué)新嘗試

黃玉陽(yáng)

【摘 要】本節(jié)教學(xué)中，以設(shè)計(jì)一系列與生活和生物相關(guān)的實(shí)驗(yàn)為前提，預(yù)設(shè)相關(guān)學(xué)科問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生收集相關(guān)資料，運(yùn)用各個(gè)相關(guān)學(xué)科知識(shí)分析和討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。讓學(xué)生學(xué)會(huì)初步實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)學(xué)科交叉分析生命運(yùn)動(dòng)及社會(huì)歷史相關(guān)現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】學(xué)科思維 ?滲透運(yùn)動(dòng) ?分子擴(kuò)散 ?降雨量

【中圖分類(lèi)號(hào)】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）12B-0059-02

從事多年的生物教學(xué)工作中，筆者注意總結(jié)科學(xué)發(fā)展史，生物學(xué)中每個(gè)偉大成就的發(fā)現(xiàn)，特別近代史上的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，無(wú)不體現(xiàn)出多學(xué)科思想結(jié)合的結(jié)果，特別是數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)等學(xué)科的綜合思想。一般來(lái)說(shuō)，以數(shù)學(xué)作為通用工具，以物理和化學(xué)作為實(shí)驗(yàn)手段來(lái)分析生命現(xiàn)象。同時(shí)，在教學(xué)中，筆者有機(jī)會(huì)接觸一些發(fā)達(dá)國(guó)家的老師和學(xué)生，發(fā)現(xiàn)他們跨學(xué)科思維比較活躍。在交談和收集的資料中發(fā)現(xiàn)他們的教材和自然科學(xué)的教育方式跟我們有較大的差異。以美國(guó)為例，在基礎(chǔ)教育的七、八、九年級(jí)，他們的物理、生物、化學(xué)合為一本書(shū)，一般叫科學(xué)，他們的科學(xué)老師往往可以同時(shí)上物理、生物、化學(xué)。還有美國(guó)的SAT教材（美國(guó)的大學(xué)考試教材）也是這三個(gè)科合在一起的。這樣的教材和上課形式把各個(gè)學(xué)科的思維綜合在一起統(tǒng)一到自然科學(xué)中，因此理科思維的綜合能力比較強(qiáng)，能站在比較高的思維高度來(lái)看待生物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，容易發(fā)現(xiàn)生物問(wèn)題，引起新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

相比之下，我國(guó)現(xiàn)在一般各科教材分開(kāi)，各科老師也各自強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)自己學(xué)科的學(xué)習(xí)，而且各科之間存在時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)。我們比較少關(guān)注各學(xué)科之間的有機(jī)聯(lián)系，即各學(xué)科之間的相互作用和互相影響的關(guān)系，以及各學(xué)科綜合思維對(duì)學(xué)生科研思維發(fā)展的良好作用。

為此筆者利用這節(jié)課，設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科綜合思維分析生物的一個(gè)基本運(yùn)動(dòng)—— 水分在細(xì)胞內(nèi)外的運(yùn)動(dòng)的方式和特點(diǎn)，讓學(xué)生初步進(jìn)行跨學(xué)科思維。

一、教材分析及教學(xué)設(shè)計(jì)

高中生物人教版教材必修本第一冊(cè)第三章中的“植物對(duì)水分的吸收和利用”，包括水分的吸收、運(yùn)輸、散失等理論以及水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用規(guī)律和水在社會(huì)發(fā)展中的影響等。本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)習(xí)“植物光合作用”后進(jìn)行的，因?yàn)橹参锕夂献饔眯枰鳛樵希c進(jìn)一步學(xué)習(xí)水分的代謝相關(guān)內(nèi)容有關(guān)，同時(shí)，水分代謝又是下一節(jié)“植物礦質(zhì)元素代謝”的知識(shí)基礎(chǔ)。

本節(jié)教材連接初中植物學(xué)知識(shí)。植物的營(yíng)養(yǎng)器官根是吸收水的主要器官，學(xué)習(xí)根尖的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)出學(xué)習(xí)水分進(jìn)出細(xì)胞的主要方式—— 滲透作用（滲透運(yùn)動(dòng)），隨后指出植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)。接著講水的運(yùn)輸及運(yùn)輸?shù)脑颍恼趄v作用及蒸騰對(duì)植物生長(zhǎng)的必要性。最后論述理論在生產(chǎn)上的應(yīng)用和意義。

本節(jié)課以探究實(shí)驗(yàn)作為線索貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。課前布置學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并且分為若干實(shí)驗(yàn)組，以組作為單位實(shí)驗(yàn)、研究、討論。

教材實(shí)驗(yàn)有：（1）參透作用演示實(shí)驗(yàn);（2）細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要，筆者增設(shè)了幾個(gè)小實(shí)驗(yàn)：（1）蘿卜條浸泡在清水和30%蔗糖溶液中的對(duì)比實(shí)驗(yàn);（2）觀察雞血正常紅細(xì)胞和浸泡在清水中的對(duì)比實(shí)驗(yàn);（3）課外實(shí)驗(yàn)，每組找兩顆小植物，分別澆清水和海水的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

首先讓學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并盡可能提出相關(guān)問(wèn)題。老師發(fā)放實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象預(yù)設(shè)的各個(gè)問(wèn)題。學(xué)生以組為單位思考、研究、討論，總結(jié)結(jié)論，或?qū)ふ腋鞣N相關(guān)信息資源，比如可在網(wǎng)上搜索資料解決老師預(yù)設(shè)問(wèn)題或自己所提的問(wèn)題。

然后在課堂上先找出實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤的現(xiàn)象，歸納生物實(shí)驗(yàn)一般方法。接著一起討論相關(guān)問(wèn)題，尋找問(wèn)題答案。

二、教學(xué)目標(biāo)

（一）知識(shí)目標(biāo)

學(xué)生能運(yùn)用物理和化學(xué)相關(guān)分子熱運(yùn)動(dòng)理論說(shuō)明植物細(xì)胞吸收水和失去水的滲透作用原理;理解水分運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力;水分散失及其對(duì)全球水循環(huán)的意義;水分代謝在生產(chǎn)中應(yīng)用。

（二）能力目標(biāo)

學(xué)生初步進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)操作能力，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?學(xué)習(xí)從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中提出問(wèn)題，思考問(wèn)題能力;初步運(yùn)用學(xué)科交叉思維能力。

（三）生活目標(biāo)

在實(shí)驗(yàn)、討論中學(xué)會(huì)個(gè)人在團(tuán)隊(duì)中的合作方法，體會(huì)團(tuán)隊(duì)合作的優(yōu)勢(shì);水問(wèn)題不僅是農(nóng)業(yè)上重大問(wèn)題，也是一個(gè)世界性的生態(tài)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注中國(guó)和世界范圍人類(lèi)共同所面臨的問(wèn)題，從而形成科學(xué)生態(tài)價(jià)值觀，激發(fā)學(xué)生的使命感。

三、教學(xué)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備好各種相關(guān)材料：半透膜用玻璃紙，蔗糖，蒸餾水，洋蔥，已經(jīng)處理分層好的雞血，吸水紙，顯微鏡，蘿卜條，刀片等。學(xué)生用一個(gè)課時(shí)完成實(shí)驗(yàn)。做完實(shí)驗(yàn)后老師給每組分發(fā)一系列關(guān)于相關(guān)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。

第二課時(shí)開(kāi)始，由學(xué)生先展示課外實(shí)驗(yàn)，討論總結(jié)實(shí)驗(yàn)不規(guī)范的操作：（1）切蘿卜條大小不一;（2）兩顆植物大小差別大;（3）兩顆植物是不同種的。總結(jié)出生物實(shí)驗(yàn)一個(gè)基本原則是：唯一變量。

接著班上集體討論預(yù)設(shè)問(wèn)題：

（1）溶液液面逆重力上升是否違反了物理學(xué)原理？那里上升的動(dòng)力是什么？請(qǐng)聯(lián)系物理學(xué)中布朗運(yùn)動(dòng)的原理和化學(xué)中溶液擴(kuò)散現(xiàn)象。

答：沒(méi)有違反物理學(xué)原理。水分子在特殊結(jié)構(gòu)—— 半透膜兩邊擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是液面上升的動(dòng)力。

（2）蔗糖溶液液面會(huì)不斷上升嗎？膜兩邊濃度會(huì)變得相等嗎？為什么？

答：觀察到溶液液面上升到一定程度就停止了。膜兩邊濃度永不相等，因?yàn)檎崽欠肿硬荒艿较旅娴乃芤骸?/p>

（3）請(qǐng)問(wèn)溶液液面上升過(guò)程中有什么物理量發(fā)生改變？當(dāng)液面停止時(shí)水分子微觀運(yùn)動(dòng)是什么樣的狀態(tài)？

答：蔗糖溶液液面上升，會(huì)產(chǎn)生重力，在重力作用下減慢了水分子向上運(yùn)動(dòng)的速度，加快水分子向下運(yùn)動(dòng)的速度。當(dāng)向上和向下運(yùn)動(dòng)速度相等時(shí)，溶液液面停止不動(dòng)了。

（4）所有的洋蔥細(xì)胞都發(fā)生質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象嗎？這說(shuō)明細(xì)胞有什么差別？

答：這說(shuō)明細(xì)胞是一個(gè)滲透結(jié)構(gòu)，并且細(xì)胞的濃度是有差異的，發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞濃度較低，沒(méi)有發(fā)生的細(xì)胞濃度較高。

（5）在清水的蘿卜條變硬了，而在30%的蔗糖溶液的變軟了的原因是是什么？

答：細(xì)胞失水后，細(xì)胞中出現(xiàn)了很大的“空隙”，因此細(xì)胞間有了“活動(dòng)空間”，所以蘿卜條變軟彎曲。而細(xì)胞吸水后，整個(gè)細(xì)胞充水膨脹，飽滿(mǎn)，細(xì)胞間沒(méi)有可活動(dòng)的空間，所以蘿卜條變硬。

（6）澆海水的植株第二天變黃死了說(shuō)明什么？結(jié)合質(zhì)壁分離說(shuō)明植物吸水的生理特點(diǎn)是什么？

答：這說(shuō)明植物失水死亡;說(shuō)明了植物吸水是一個(gè)被動(dòng)的生理過(guò)程，吸水或失去水決定于濃度差。

（7）由雞血實(shí)驗(yàn)說(shuō)明動(dòng)物細(xì)胞發(fā)生滲透作用嗎？為什么在清水中紅細(xì)胞會(huì)破裂？

答：這說(shuō)明動(dòng)物細(xì)胞也發(fā)生滲透作用。因?yàn)闆](méi)有細(xì)胞壁的限制作用，動(dòng)物細(xì)胞吸水過(guò)度漲破。

（8）討論到這里先播放一段影像資料：天山山脈優(yōu)美的景象，在山脈中部連綿不斷的云杉林，這里被國(guó)家地理評(píng)為中國(guó)最美的森林。云杉是我國(guó)最高的植物，一般有60米。接著播放一段長(zhǎng)城內(nèi)外的森林和草原風(fēng)光。請(qǐng)問(wèn)水到達(dá)60米高的樹(shù)頂?shù)膭?dòng)力是滲透作用嗎？這個(gè)動(dòng)力最終來(lái)源哪里？

答：是的。蒸騰作用使葉細(xì)胞的濃度最高，然后是莖，最后是根，形成了細(xì)胞間濃度梯度差，水能從下滲透向上了。因此光能是最終動(dòng)力來(lái)源。所以運(yùn)輸動(dòng)力決定于外來(lái)的因素。因此植物生長(zhǎng)可加速水的循環(huán)。

（9）由水分吸水和運(yùn)輸動(dòng)力的特點(diǎn)說(shuō)明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和高大喬木生長(zhǎng)的自然條件是什么？為什么天山山脈只有中部山腰長(zhǎng)森林，而山頂和山下沒(méi)有。

答：水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根本條件，必需有充足的水森林才可以生長(zhǎng)。天山頂有固態(tài)的水而無(wú)液態(tài)的水，而水流動(dòng)到山腳已經(jīng)很少了，不足以滿(mǎn)足森林生長(zhǎng)了。

（10）長(zhǎng)城的位置基本上與400mm降雨量吻合，這在生物學(xué)上說(shuō)明什么？

答：長(zhǎng)城內(nèi)降雨量大于400mm，森林可生長(zhǎng)，可進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。長(zhǎng)城外降雨量在200— 400mm之間，是牧草生長(zhǎng)區(qū)，自能進(jìn)行牧業(yè)生產(chǎn)。長(zhǎng)城其實(shí)是農(nóng)業(yè)社會(huì)和牧業(yè)社會(huì)的分界線。

（11）國(guó)家發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)布局與水的關(guān)系。

答：這是一個(gè)課外大問(wèn)題，感興趣的學(xué)生自己了解。

在解決預(yù)設(shè)問(wèn)題的同時(shí)，學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生有各種自己的問(wèn)題，有些可當(dāng)場(chǎng)討論解決，有的無(wú)法解決。下面列舉一些學(xué)生自己產(chǎn)生的問(wèn)題：

（1）溶液分子為什么永不停息地運(yùn)動(dòng)？

答：這個(gè)無(wú)法很清楚說(shuō)明。這與分子間引力和斥力，還有分子勢(shì)能等有關(guān)。建議和物理老師交流。

（2）磷脂為什么形成雙分子層？

答：這與分子間親和力有關(guān)，高中階段無(wú)法理解得很清楚。

（3）為什么我們?nèi)ズ＠镉斡静粫?huì)失水而死？

答：因?yàn)槲覀儽砥び薪琴|(zhì)層保護(hù)，我們的細(xì)胞不直接和海水相接觸。

（4）為什么我們這里海岸線有那么多樹(shù)林（紅樹(shù)林）生長(zhǎng)，而沒(méi)有因海水而失水？

答：紅樹(shù)林有特殊的結(jié)構(gòu)和生理適應(yīng)海水能力。比如有分泌的鹽的腺體，能儲(chǔ)存大量的空氣等。

（5）全球變暖，我國(guó)新疆等地會(huì)發(fā)生什么變化？

答：可能冰川溶解，那里失去了生物生存的基本條件—— 水。

四、課后總結(jié)

在教學(xué)過(guò)程中，注意觀察每組實(shí)驗(yàn)情況，每組在討論中發(fā)表見(jiàn)解的狀況，課后分別調(diào)查他們對(duì)這節(jié)課的評(píng)價(jià)和意見(jiàn)。

（一）問(wèn)題反思

有部分組做的實(shí)驗(yàn)很混亂，互相配合的團(tuán)隊(duì)能力比較低，有些生物基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Χ紱](méi)有。這反應(yīng)我們一些學(xué)生的動(dòng)手能力低。

約三分之一的組從實(shí)驗(yàn)到討論問(wèn)題都處在被動(dòng)的狀態(tài)，另三分之一的組比較活躍。開(kāi)始討論比較艱難，思維無(wú)法連接上。需要慢慢復(fù)習(xí)物理知識(shí)引導(dǎo)。

部分同學(xué)適應(yīng)不了這種討論式的學(xué)習(xí)方法，要求老師用傳統(tǒng)的教學(xué)方法。

這節(jié)課用了三個(gè)多課時(shí)才完成，用時(shí)長(zhǎng)。這樣無(wú)法按正常課時(shí)去授課，不能符合高考課時(shí)要求。

（二）良好的反應(yīng)

自始至終，有一部分學(xué)生很興奮，感覺(jué)很新奇，回答問(wèn)題非常積極。這說(shuō)明他們體會(huì)到多學(xué)科思維方式的綜合運(yùn)用的好處，理解了這個(gè)簡(jiǎn)單的生理運(yùn)動(dòng)是在特定條件下物理和化學(xué)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，增強(qiáng)了學(xué)生科學(xué)的探索欲望，升華了他們對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理解，開(kāi)拓了他們的思維廣度，基本上達(dá)到預(yù)期教學(xué)設(shè)想。

通過(guò)這次探索增強(qiáng)了筆者教學(xué)的信心，也鼓舞了筆者繼續(xù)進(jìn)行新的探索。

【參考文獻(xiàn)】

[1]方許武.2012“植物細(xì)胞吸水和失水原因”一節(jié)教學(xué)難點(diǎn)的突破[J].生物學(xué)教學(xué)，37（5）

（責(zé)編 盧建龍）