“生長素的極性運輸”開放性實驗探究和改進

梁瑋

1問題的提出

生長素是一類重要的植物激素，能從產生部位運送到作用部位而發揮作用。研究表明，在胚芽鞘、芽、幼葉和幼根中，生長素只能從形態學上端運輸到形態學下端，而不能反過來運輸，也就是只能單方向地運輸，稱為極性運輸。如何證明生長素的極性運輸呢？人教版教材必修三第三章第一節的技能訓練側重于訓練學生依據科學實驗的要素分析其實驗設計的嚴密性，提出改進意見。同時，它也有助于學生理解生長素的極性運輸。

[例]取一段玉米胚芽鞘，切去頂端2mm，使胚芽鞘不再產生生長素。在上端放一塊有生長素的瓊脂，下端放一塊不含有生長素的瓊脂（圖1A，胚芽鞘形態學上端朝上）。過一段時間檢測，發現下端的瓊脂塊逐漸有了生長素（圖1B）。

結論：

①下端瓊脂塊上的生長素來自上端的瓊脂塊。

②生長素在胚芽鞘內只能從形態學的上端運輸到形態學的下端。

討論：

①這個實驗的設計是否嚴密？

②從實驗結果到結論之間的邏輯推理是否嚴謹？

③如果要驗證上述結論是否正確，應該對實驗方案如何進行改進？

2探究討論，得出結論

在“植物生長素的發現”這一節的內容中，除了要求學生概述植物生長素的發現過程，體驗發現生長素的過程和方法之外，另一個重要的教學目標就是評價實驗設計和結論，訓練邏輯思維的嚴密性。在課堂教學過程中，采用的教學方式是先組織學生思考、討論，找出實驗設計中的問題和不足，然后由其他學生和教師共同評價、修正并完善。大多數學生可以從實驗結果推出結論①下端瓊脂塊上的生長素來自上端的瓊脂塊，而結論②的邏輯推理不嚴謹，即不能夠證明生長素在胚芽鞘內“只能”由形態學的上端運輸到形態學的下端。學生能夠提出實驗的改進意見：增加一組胚芽鞘形態學上端朝下的實驗，來研究生長素能否從形態學下端運輸到形態學上端，如果位于形態學上端的空白瓊脂塊中沒有收集到生長素，即可證明生長素的極性運輸是單方向的。

上述實驗方案的改進似乎非常合理，并且教師教學用書上也是這個改進方案。通常課堂上，學生討論出這個結果之后，教師就會結束對這個實驗設計的探究。但是，根據這兩個實驗就可以完全得出這兩個結論了嗎？有沒有什么問題？還有沒有其他的實驗設計思路？在學生繼續討論后，有學生提出結論①也不能得出，因為將胚芽鞘尖端切除之后，尖端以下部位還會有殘留的生長素，而這部分生長素也可能運輸到下端的瓊脂塊。所以下端瓊脂塊上的生長素來源可能有兩方面：①來自外源性生長素（上端的瓊脂塊）；②來自內源性生長素（尖端以下部位殘留的）。

3實驗再探究，提出改進方案

從實驗的嚴謹性出發，教師進一步啟發學生思考改進實驗。學生提出方案，在教材中所給的實驗組的基礎上，應該增加一組空白對照（圖2）：在切去尖端的胚芽鞘的上下兩端都放置空白瓊脂塊，一段時間之后檢測兩個瓊脂塊中的生長素。形態學下端的瓊脂塊可以放在切去尖端的胚芽鞘上來檢測（圖3），如果胚芽鞘幾乎不生長，或者下端的瓊脂塊中生長素的含量遠遠小于實驗組，那么內源性生長素的含量可以忽略不計。還有學生提出，可以用同位素標記實驗組上端瓊脂塊中的生長素，然后檢測下端瓊脂塊中生長素帶標記和不帶標記的含量之比。此時，要驗證結論②的正確性，應該再增加一組實驗：將胚芽鞘倒過來放置，如果在形態學上端的瓊脂塊中檢測不到生長素，就可以說明在胚芽鞘中生長素的極性運輸只能從形態學上端運輸到下端。

4大膽質疑，實驗優化設計

如果胚芽鞘不顛倒，而把上下兩塊瓊脂塊顛倒，這樣的實驗設計是否可行呢？有學生課堂上提出了不同的實驗設計，當出現“意外”的設計方案，學生的思維和興趣會被激發。因為本實驗探究生長素的極性運輸，并不清楚極性運輸的單方向性是否與重力有關，所以在設計實驗時應盡可能排除重力的影響，而如圖4的實驗組與教材中的實驗組，兩組實驗的結果均可能有兩方面的因素：①重力的原因；②生長素單方向極性運輸的原因，仍然不能排除重力的作用，因此這個實驗設計不妥。

那么，在這個實驗設計的基礎上如何進行改進呢？此時，教師可以再加一組胚芽鞘形態學下端朝上的實驗（圖5），如果位于形態學上端的瓊脂塊沒有生長素（圖5a），而形態學下端的瓊脂塊中收集到生長素（圖5b），即可以證明生長素的極性運輸不受重力的影響，能夠逆重力從形態學上端運輸到下端而不能倒置。

為了排除重力對極性運輸的影響，還能怎樣設計實驗呢？教師可以選擇兩組水平放置的胚芽鞘（圖6）：第一組，帶有生長素的瓊脂塊放在胚芽鞘形態學下端，無生長素的瓊脂塊放在形態學上端；第二組，帶有生長素的瓊脂塊放在胚芽鞘形態學上端，無生長素的瓊脂塊放在形態學下端。過一段時間檢測，發現第一組未接收到生長素，第二組接收到生長素，說明生長素只能由形態學上端運輸到形態學下端，而不能顛倒，即證明極性運輸的單方向性，因為該實驗中重力的方向與生長素極性運輸的方向垂直，即重力沒有發揮作用，同時也排除了重力對極性運輸的影響。

5總結與啟示

在高中生物課堂教學中，教師要充分挖掘教材中的探究性素材，激發學生的探究欲望，放手讓學生主動思考、充分討論，營造一個積極鉆研的課堂氛圍，發掘學生思維的閃光點，捕捉課堂的生成性資源，從而有意識地培養學生嚴謹條理的思維習慣，以及理性思維能力和創新意識。