“植物對水分的吸收和利用”一節的教學新嘗試

黃玉陽

【摘 要】本節教學中，以設計一系列與生活和生物相關的實驗為前提，預設相關學科問題，引導學生收集相關資料，運用各個相關學科知識分析和討論實驗現象，總結實驗結果。讓學生學會初步實施實驗、分析實驗，學會學科交叉分析生命運動及社會歷史相關現象。

【關鍵詞】學科思維 ?滲透運動 ?分子擴散 ?降雨量

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2015）12B-0059-02

從事多年的生物教學工作中，筆者注意總結科學發展史，生物學中每個偉大成就的發現，特別近代史上的科學發現，無不體現出多學科思想結合的結果，特別是數學，物理，化學等學科的綜合思想。一般來說，以數學作為通用工具，以物理和化學作為實驗手段來分析生命現象。同時，在教學中，筆者有機會接觸一些發達國家的老師和學生，發現他們跨學科思維比較活躍。在交談和收集的資料中發現他們的教材和自然科學的教育方式跟我們有較大的差異。以美國為例，在基礎教育的七、八、九年級，他們的物理、生物、化學合為一本書，一般叫科學，他們的科學老師往往可以同時上物理、生物、化學。還有美國的SAT教材（美國的大學考試教材）也是這三個科合在一起的。這樣的教材和上課形式把各個學科的思維綜合在一起統一到自然科學中，因此理科思維的綜合能力比較強，能站在比較高的思維高度來看待生物的運動規律，容易發現生物問題，引起新的科學發現。

相比之下，我國現在一般各科教材分開，各科老師也各自強調學生對自己學科的學習，而且各科之間存在時間的競爭。我們比較少關注各學科之間的有機聯系，即各學科之間的相互作用和互相影響的關系，以及各學科綜合思維對學生科研思維發展的良好作用。

為此筆者利用這節課，設計一系列實驗，引導學生運用多學科綜合思維分析生物的一個基本運動—— 水分在細胞內外的運動的方式和特點，讓學生初步進行跨學科思維。

一、教材分析及教學設計

高中生物人教版教材必修本第一冊第三章中的“植物對水分的吸收和利用”，包括水分的吸收、運輸、散失等理論以及水農業生產應用規律和水在社會發展中的影響等。本節內容是在學習“植物光合作用”后進行的，因為植物光合作用需要水作為原料，與進一步學習水分的代謝相關內容有關，同時，水分代謝又是下一節“植物礦質元素代謝”的知識基礎。

本節教材連接初中植物學知識。植物的營養器官根是吸收水的主要器官，學習根尖的結構，導出學習水分進出細胞的主要方式—— 滲透作用（滲透運動），隨后指出植物細胞是一個滲透系統。接著講水的運輸及運輸的原因，水的蒸騰作用及蒸騰對植物生長的必要性。最后論述理論在生產上的應用和意義。

本節課以探究實驗作為線索貫穿整個教學過程。課前布置學生預習相關實驗內容，并且分為若干實驗組，以組作為單位實驗、研究、討論。

教材實驗有：（1）參透作用演示實驗;（2）細胞質壁分離和復原實驗。根據教學內容的需要，筆者增設了幾個小實驗：（1）蘿卜條浸泡在清水和30%蔗糖溶液中的對比實驗;（2）觀察雞血正常紅細胞和浸泡在清水中的對比實驗;（3）課外實驗，每組找兩顆小植物，分別澆清水和海水的對比實驗。

首先讓學生完成實驗，記錄實驗現象，并盡可能提出相關問題。老師發放實驗現象預設的各個問題。學生以組為單位思考、研究、討論，總結結論，或尋找各種相關信息資源，比如可在網上搜索資料解決老師預設問題或自己所提的問題。

然后在課堂上先找出實驗中出現的各種錯誤的現象，歸納生物實驗一般方法。接著一起討論相關問題，尋找問題答案。

二、教學目標

（一）知識目標

學生能運用物理和化學相關分子熱運動理論說明植物細胞吸收水和失去水的滲透作用原理;理解水分運輸的動力;水分散失及其對全球水循環的意義;水分代謝在生產中應用。

（二）能力目標

學生初步進行生物實驗操作能力，設計實驗能力;學習從實驗現象中提出問題，思考問題能力;初步運用學科交叉思維能力。

（三）生活目標

在實驗、討論中學會個人在團隊中的合作方法，體會團隊合作的優勢;水問題不僅是農業上重大問題，也是一個世界性的生態問題，引導學生關注中國和世界范圍人類共同所面臨的問題，從而形成科學生態價值觀，激發學生的使命感。

三、教學過程

實驗室準備好各種相關材料：半透膜用玻璃紙，蔗糖，蒸餾水，洋蔥，已經處理分層好的雞血，吸水紙，顯微鏡，蘿卜條，刀片等。學生用一個課時完成實驗。做完實驗后老師給每組分發一系列關于相關實驗的問題。

第二課時開始，由學生先展示課外實驗，討論總結實驗不規范的操作：（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。總結出生物實驗一個基本原則是：唯一變量。

接著班上集體討論預設問題：

（1）溶液液面逆重力上升是否違反了物理學原理？那里上升的動力是什么？請聯系物理學中布朗運動的原理和化學中溶液擴散現象。

答：沒有違反物理學原理。水分子在特殊結構—— 半透膜兩邊擴散運動是液面上升的動力。

（2）蔗糖溶液液面會不斷上升嗎？膜兩邊濃度會變得相等嗎？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，因為蔗糖分子不能到下面的水溶液。

（3）請問溶液液面上升過程中有什么物理量發生改變？當液面停止時水分子微觀運動是什么樣的狀態？

答：蔗糖溶液液面上升，會產生重力，在重力作用下減慢了水分子向上運動的速度，加快水分子向下運動的速度。當向上和向下運動速度相等時，溶液液面停止不動了。

（4）所有的洋蔥細胞都發生質壁分離和復原現象嗎？這說明細胞有什么差別？

答：這說明細胞是一個滲透結構，并且細胞的濃度是有差異的，發生質壁分離的細胞濃度較低，沒有發生的細胞濃度較高。

（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：細胞失水后，細胞中出現了很大的“空隙”，因此細胞間有了“活動空間”，所以蘿卜條變軟彎曲。而細胞吸水后，整個細胞充水膨脹，飽滿，細胞間沒有可活動的空間，所以蘿卜條變硬。

（6）澆海水的植株第二天變黃死了說明什么？結合質壁分離說明植物吸水的生理特點是什么？

答：這說明植物失水死亡;說明了植物吸水是一個被動的生理過程，吸水或失去水決定于濃度差。

（7）由雞血實驗說明動物細胞發生滲透作用嗎？為什么在清水中紅細胞會破裂？

答：這說明動物細胞也發生滲透作用。因為沒有細胞壁的限制作用，動物細胞吸水過度漲破。

（8）討論到這里先播放一段影像資料：天山山脈優美的景象，在山脈中部連綿不斷的云杉林，這里被國家地理評為中國最美的森林。云杉是我國最高的植物，一般有60米。接著播放一段長城內外的森林和草原風光。請問水到達60米高的樹頂的動力是滲透作用嗎？這個動力最終來源哪里？

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

（9）由水分吸水和運輸動力的特點說明農業生產和高大喬木生長的自然條件是什么？為什么天山山脈只有中部山腰長森林，而山頂和山下沒有。

答：水是農業生產的根本條件，必需有充足的水森林才可以生長。天山頂有固態的水而無液態的水，而水流動到山腳已經很少了，不足以滿足森林生長了。

（10）長城的位置基本上與400mm降雨量吻合，這在生物學上說明什么？

答：長城內降雨量大于400mm，森林可生長，可進行農業生產。長城外降雨量在200— 400mm之間，是牧草生長區，自能進行牧業生產。長城其實是農業社會和牧業社會的分界線。

（11）國家發展農業生產和工業生產布局與水的關系。

答：這是一個課外大問題，感興趣的學生自己了解。

在解決預設問題的同時，學生在這個過程中產生有各種自己的問題，有些可當場討論解決，有的無法解決。下面列舉一些學生自己產生的問題：

（1）溶液分子為什么永不停息地運動？

答：這個無法很清楚說明。這與分子間引力和斥力，還有分子勢能等有關。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，高中階段無法理解得很清楚。

（3）為什么我們去海里游泳不會失水而死？

答：因為我們表皮有角質層保護，我們的細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林（紅樹林）生長，而沒有因海水而失水？

答：紅樹林有特殊的結構和生理適應海水能力。比如有分泌的鹽的腺體，能儲存大量的空氣等。

（5）全球變暖，我國新疆等地會發生什么變化？

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

在教學過程中，注意觀察每組實驗情況，每組在討論中發表見解的狀況，課后分別調查他們對這節課的評價和意見。

（一）問題反思

有部分組做的實驗很混亂，互相配合的團隊能力比較低，有些生物基本實驗能力都沒有。這反應我們一些學生的動手能力低。

約三分之一的組從實驗到討論問題都處在被動的狀態，另三分之一的組比較活躍。開始討論比較艱難，思維無法連接上。需要慢慢復習物理知識引導。

部分同學適應不了這種討論式的學習方法，要求老師用傳統的教學方法。

這節課用了三個多課時才完成，用時長。這樣無法按正常課時去授課，不能符合高考課時要求。

（二）良好的反應

自始至終，有一部分學生很興奮，感覺很新奇，回答問題非常積極。這說明他們體會到多學科思維方式的綜合運用的好處，理解了這個簡單的生理運動是在特定條件下物理和化學運動的結果，增強了學生科學的探索欲望，升華了他們對科學實驗的理解，開拓了他們的思維廣度，基本上達到預期教學設想。

通過這次探索增強了筆者教學的信心，也鼓舞了筆者繼續進行新的探索。

【參考文獻】

[1]方許武.2012“植物細胞吸水和失水原因”一節教學難點的突破[J].生物學教學，37（5）

（責編 盧建龍）