5E教學(xué)模式在“植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉 欣

(北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 100052)

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)既是生物學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，也是生物學(xué)教學(xué)的重要方法。在生物學(xué)科新一輪課程改革中，強(qiáng)調(diào)探究式學(xué)習(xí)和概念教學(xué)[1]，實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)是達(dá)成這一改革目的的重要教學(xué)方式，而在現(xiàn)代科學(xué)教育領(lǐng)域中具有重要地位的5E教學(xué)模式則可以為實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)提供理論和操作層面的有力支持。

1 5E教學(xué)模式下的“植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

“植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)是《分子與細(xì)胞》模塊中“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”一節(jié)的主要內(nèi)容。本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生要通過設(shè)計(jì)和實(shí)施一系列實(shí)驗(yàn)，形成“滲透作用”“質(zhì)壁分離及復(fù)原”和“選擇透過性”等概念，并嘗試運(yùn)用這些概念來解釋自然界中的相關(guān)問題。

1.1 吸引(engagement) 教師首先提出一個問題：將兩組綠蘿的根分別浸泡在按照1∶250和說明書要求的1∶2500比例稀釋的清液肥中，哪一組綠蘿長勢將會更好？之后教師出示該實(shí)驗(yàn)的演示裝置，其中第一組綠蘿均已萎蔫，而第二組綠蘿長勢良好。致使學(xué)生提出疑問：為什么植物在高濃度的肥料溶液中會萎蔫呢？

此時教師提出本節(jié)課的學(xué)習(xí)要點(diǎn)：“植物個體的吸水和失水是通過其基本單位——細(xì)胞實(shí)現(xiàn)的，植物細(xì)胞吸水和失水的機(jī)理是什么呢？”從而引入下一環(huán)節(jié)的教學(xué)。

大多數(shù)學(xué)生存在這樣一個前概念：植物體吸收水分是一個主動進(jìn)行的過程，與土壤溶液的濃度無關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與學(xué)生預(yù)期的相悖暴露了學(xué)生的前概念，引發(fā)了認(rèn)知沖突，促使學(xué)生產(chǎn)生了進(jìn)一步探究的興趣，為構(gòu)建新概念做好了準(zhǔn)備。

1.2 探究(exploration) 教師首先出示滲透作用的演示裝置，并提出問題串：漏斗管內(nèi)液面為什么會升高？為什么升高到一定程度就不再變化了？如果用一層紗布代替半透膜，漏斗管內(nèi)的液面還會升高嗎？如果燒杯中不是清水，而是與半透膜內(nèi)同樣濃度的蔗糖溶液，結(jié)果會怎樣？師生共同討論后得出滲透作用的概念，之后教師進(jìn)一步提問：植物細(xì)胞是通過滲透作用吸水和失水的嗎？

教師鼓勵學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來解決上述問題，并為學(xué)生提供各種材料用具，其中實(shí)驗(yàn)材料包括紫色洋蔥鱗片葉和黑藻葉片，試劑包括0.3g/mL的蔗糖溶液、5%的NaCl溶液、10%的NaCl溶液、15%的甘油溶液、6%的KNO3溶液、6%的醋酸溶液和清水。

教師首先提出問題：如果植物細(xì)胞是通過滲透作用吸水和失水的，你認(rèn)為選擇什么溶液最容易觀察到植物細(xì)胞的失水過程？怎樣操作才能觀察到植物細(xì)胞失水和吸水的全過程？

學(xué)生經(jīng)過討論后，會選擇使用0.3g/mL的蔗糖溶液。因?yàn)樵撊芤簼舛茸罡撸⑻岢鰧?shí)驗(yàn)方案：先用清水制作植物細(xì)胞的臨時裝片，然后將清水換成蔗糖溶液，之后再換成清水，觀察記錄全過程中植物細(xì)胞的形態(tài)變化。學(xué)生預(yù)期植物細(xì)胞會在蔗糖溶液中失水皺縮，而在清水中吸水膨脹。教師肯定學(xué)生設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性，并暫不糾正學(xué)生預(yù)期中的錯誤。

選擇洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞和黑藻葉肉細(xì)胞的學(xué)生可順利觀察到質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象，少數(shù)選擇洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞的學(xué)生則會發(fā)現(xiàn)在無色溶液中很難觀察到無色透明的細(xì)胞的形態(tài)變化，而要更換材料。

由于不同學(xué)生的操作能力有差異，教師可請?zhí)崆巴瓿蓪?shí)驗(yàn)的學(xué)生再制作一張洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞臨時裝片，并任選一種溶液，再做一組選做實(shí)驗(yàn)，并且鼓勵同一圓桌的幾個學(xué)生間交換觀看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最終約有2/3的學(xué)生完成了選做實(shí)驗(yàn)。

在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生從分析模擬實(shí)驗(yàn)出發(fā)，嘗試提出問題，作出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，動手探究，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果之間的差異進(jìn)行比較與分析，最終認(rèn)識植物細(xì)胞也是一個滲透裝置，而且由于細(xì)胞壁的存在，在失水和吸水過程中會發(fā)生質(zhì)壁分離及復(fù)原的現(xiàn)象。在探究過程中，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案、收集和分析證據(jù)等能力。為學(xué)生提供選做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，既有利于不同程度的學(xué)生都得到充分的發(fā)展，也可為下一步的解釋環(huán)節(jié)提供了更加豐富的材料支持。

1.3 解釋(explanation) 教師首先請學(xué)生敘述必做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的原生質(zhì)層薄而透明，可讓部分學(xué)生誤認(rèn)為質(zhì)壁分離的細(xì)胞只有中央大液泡發(fā)生了失水收縮，而以黑藻葉肉細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)材料的實(shí)驗(yàn)中，葉綠體的位置變化表明質(zhì)壁分離細(xì)胞的原生質(zhì)層整體發(fā)生了收縮，從而可幫助前一部分學(xué)生修正錯誤認(rèn)識。

教師隨后提出問題：為什么植物細(xì)胞在高濃度溶液中會發(fā)生質(zhì)壁分離，轉(zhuǎn)移到清水中又會復(fù)原？在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，教師就一系列選做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出問題串：為什么在15%的甘油溶液或6%的KNO3溶液中，部分細(xì)胞會在質(zhì)壁分離后又迅速自動復(fù)原？為什么用10%NaCl溶液誘發(fā)質(zhì)壁分離的細(xì)胞轉(zhuǎn)移到清水中無法復(fù)原？為什么植物細(xì)胞在10%NaCl溶液中比在0.3g/mL蔗糖溶液中失水更多？為什么用6%的醋酸溶液無法誘發(fā)細(xì)胞質(zhì)壁分離，而且將醋酸溶液換成0.3g/mL的蔗糖溶液后細(xì)胞依然不發(fā)生質(zhì)壁分離？

最后，教師對學(xué)生的討論結(jié)果進(jìn)行歸納，解釋滲透壓的概念以及植物細(xì)胞通過滲透作用吸水和失水的原理，并給出相關(guān)的科學(xué)術(shù)語。

在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生有充足的機(jī)會進(jìn)行交流和討論，嘗試用自己的語言來闡述對質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象的理解，學(xué)生之間既有相同觀點(diǎn)的共鳴，也有不同觀點(diǎn)的碰撞，而教師在此基礎(chǔ)上稍做點(diǎn)撥和歸納，就能幫助學(xué)生完成從感性到理性，從特殊到一般的超越，實(shí)現(xiàn)對新概念的成功構(gòu)建。這個過程中，學(xué)生獲得的新概念不是被灌輸?shù)模窃诮處熞龑?dǎo)下逐步生成的，在概念生成的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的自主推理、歸納演繹和表達(dá)交流等能力。

1.4 遷移(elaboration) 教師首先請學(xué)生回顧吸引環(huán)節(jié)中的問題：為什么高濃度清液肥中的綠蘿會發(fā)生萎蔫？這對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的施肥操作有何指導(dǎo)意義？在學(xué)生回答上述問題之后，教師又提出三個開放性的問題：沒有中央大液泡但具有細(xì)胞壁的細(xì)胞，比如植物的分生區(qū)細(xì)胞或者細(xì)菌細(xì)胞，在高滲溶液中也能發(fā)生質(zhì)壁分離嗎？如何測定洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞細(xì)胞液的滲透壓？海水的滲透壓較高，為什么潮間帶的紅樹林植物能夠正常生存呢？請學(xué)生任選一個問題，課后自由結(jié)成學(xué)習(xí)小組進(jìn)行探究。

本環(huán)節(jié)的問題設(shè)計(jì)具有一定的難度梯度，前兩個問題學(xué)生稍加思考就能解答，并能將其運(yùn)用到自己的生活實(shí)踐中，這兩個問題的設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了本節(jié)課的首尾呼應(yīng)，并引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生物學(xué)知識與人類生活的密切關(guān)系。后三個問題有一定的難度，學(xué)生需要通過做實(shí)驗(yàn)或查找資料做出解答。在遷移環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要綜合運(yùn)用已有的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的知識和關(guān)于滲透作用的新概念來解決問題，最終實(shí)現(xiàn)新、舊概念間的整合，使新概念成為自身概念網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)組成部分。

1.5 評價(jià)(evaluation) 本節(jié)課通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課后探究的任務(wù)完成情況對學(xué)生進(jìn)行終結(jié)性評價(jià)，通過課堂上學(xué)生在回答問題，實(shí)驗(yàn)操作和小組交流等方面的表現(xiàn)對學(xué)生進(jìn)行過程性評價(jià)，評價(jià)的主要目的是激發(fā)學(xué)生的成就感和推動學(xué)生不斷反思、修正和深化對新概念的理解。評價(jià)結(jié)果表明，絕大多數(shù)學(xué)生在課堂上對學(xué)習(xí)任務(wù)非常專注，能正確運(yùn)用新習(xí)得的方法和概念來解決遷移環(huán)節(jié)中的新問題，說明本節(jié)課的教學(xué)目的得到了有效的落實(shí)。

2總結(jié)

本節(jié)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，在“吸引”環(huán)節(jié)暴露學(xué)生的前概念，利用認(rèn)知沖突激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新概念的意愿；在“探究”環(huán)節(jié)中為學(xué)生提供機(jī)會觀察不同植物細(xì)胞在各種溶液中的質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象，用豐富的事實(shí)支撐學(xué)生初步建構(gòu)概念；在“解釋”環(huán)節(jié)中用問題串引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析、綜合、抽象和概括，形成概念；在“遷移”環(huán)節(jié)中鼓勵學(xué)生運(yùn)用新概念解決生活中的相關(guān)問題，將新概念納入自身的概念體系中；在“評價(jià)”環(huán)節(jié)中時時關(guān)注學(xué)生的概念理解和掌握情況，幫助學(xué)生鞏固和拓展概念。可見，5E模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是一個完整的引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)概念的過程，符合概念教學(xué)的規(guī)律，與傳統(tǒng)的僅將實(shí)驗(yàn)作為驗(yàn)證概念的手段的講授式教學(xué)有著本質(zhì)的區(qū)別。如果能將5E教學(xué)模式更多地運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將會對幫助學(xué)生掌握核心概念、增強(qiáng)探究能力和提高生物學(xué)素養(yǎng)產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。