基于“三段式”和“探究式”教學模式的學生生物學核心素養的培養
——“植物激素調節”一節第一課時

張志祥 （寧波市惠貞書院 浙江寧波 315016）

趙沛榮*（寧波市鄞州中學 浙江寧波 315105）

1 教學內容的分析

“植物激素調節”是浙科版高中生物學教材《必修3·穩態與環境》第一章“植物生命活動調節”的第一節，其主要內容包括達爾文父子、波森·詹森、溫特等生物學家發現生長素的過程以及生長素的產生、運輸和分布兩個部分。其中，生長素的發現過程是本節教學的重點；生長素運輸機制及與向光性的關系，實驗設計的科學嚴謹性分析則是這一節教學的難點。

本節內容是高中生物教材中最適合開展探究性教學的內容之一。教師要引導學生主動體驗、現場模擬生長素的發現過程實驗，讓他們領悟生物學家在科學探究過程中所持有的觀點及解決問題的思路和方法。學生在實驗設計中更能感悟科學探究的精神，逐步發展科學思維，從而形成正確的生命觀。本節內容與生活、生產實踐緊密相關，教師引導學生關注生物學的社會議題——陽光房植物種植出現向光性問題；課后組織學生討論，并作出理性解釋和判斷，并設計半自動補光器解決問題，這有利于提升學生的社會責任意識，正確樹立社會主義核心價值觀。

2 教學目標

2.1 生命觀念的建立

（1）說出植物向光性的內、外因，并設計實驗進行探究。

（2）解釋生長素運輸機制及與向光性的關系，構建穩態與平衡觀。

2.2 科學思維的培養

（1）體驗并模擬生長素發現過程的實驗，評價實驗設計、分析實驗結論，訓練邏輯思維的嚴密性。

（2）學會基于生物學事實和實驗證據，運用歸納與概括、演繹與推理、模型建構等方法，探討、闡釋植物的向光性。

2.3 科學探究能力的提升

（1）完成實驗——模擬波森·詹森的實驗，進行實驗設計、方案實施及結果討論，并學會與人合作。

（2）熟悉科學探究的基本環節和方法，關注實驗設計原則的把握和變量控制，提升分析問題、解決問題的能力。

2.4 社會責任的培育

（1）參與陽光房植物向光性的討論。作出理性解釋和判斷，嘗試解決生產生活中的生物學問題。

（2）基于生長素發現過程實驗的評價，感知科學探究的曲折，認同生物學家的貢獻和價值。

3 教學方法

觀察法、實驗探究法、對比分析法、總結歸納法、問題討論法。

4 教學過程

4.1 課前開展興趣小組實驗，提前開啟學生探究進程

課前半個月，學生自愿報名成立4個興趣小組，分別在陽光房和實驗室進行實驗。第一組：從集貿市場購買辣椒和番茄幼苗種植在陽光房中，定期澆水，每天觀察幼苗生長狀況，并拍攝視頻影像。其余三組學生課前10 d將玉米種子播下，萌發后進行相關對照實驗。第二組：完整幼苗在均勻光和單側光下進行培養實驗；第三組：完整幼苗和去除尖端幼苗培養的實驗；第四組：用錫箔紙將幼苗尖端罩住和用錫箔紙將幼苗基部包住培養的實驗。各組每隔一段時間拍照留存，用于課堂展示。

設計意圖：受到課時安排和課堂時間的限制，所有探究實驗均在課堂上完成是不現實的。因此，教師課前利用課余時間組織生物興趣小組來完成部分探究實驗，引導學生自覺地去熟悉教材內容，通過實驗，初步形成植物向光性的相關概念，為高效的課堂教學打下良好基礎。

4.2 課中重溫、課堂模擬、分析評價實驗，多角度進行科學探究

4.2.1 生物學議題思考，創設情境，激發主動探究

多媒體展示興趣小組拍攝的視頻“陽光房中辣椒和番茄的生長”，由學生向其他同學提出問題：（1）視頻中植物的生長有什么特點？（2）植物為什么會出現這種現象？學生思考并回答可能的影響因素有土壤、水分、陽光、溫度及植物自身原因等。興趣小組展示陽光房照片（只能接受到單側光照）及對照組實驗（正常生長的辣椒和番茄），指出這是兩種植物的向光生長現象，俗稱向光性。興趣小組追問：單側光是向光生長的外界因素，如何影響植物向光生長的呢？由此引入課堂探究主題，將學生帶入生物學家發現生長素的探究過程中。

設計意圖：學生將實驗過程錄制成視頻或拍攝照片，課上播放，設計問題引導同學關注身邊事物，創造問題情境，進而分析問題緣由。這樣可以激發學生的學習興趣，增強其學習的主動性，從而帶動班級的課堂學習氛圍。

4.2.2 重溫達爾文父子向光性實驗，以問導學，開展問題探究

對于向光性，達爾文父子是最早的研究者，他們是如何設計實驗來探究植物的向光性的呢？教師展示達爾文父子的實驗過程及實驗結果，用科學的語言講解了其中①②兩組實驗：取若干的幼苗隨機分成兩組，①組尖端完整，②組切除尖端，其他條件相同且適宜，并都給以單側光照射；一段時間后觀察實驗結果。同時，指導學生閱讀教科書中的實驗（圖1），請學生分析并思考以下問題：（1）①②、①③、①④實驗對照，實驗的自變量各是什么？（2）①②、③④、③⑤對照實驗分別說明什么？學生通過老師的講解，初步學會分析實驗得出結論的方法，然后觀察達爾文父子的實驗，得出結論：（1）幼苗向光性是由于受單側光刺激；（2）向光性與幼苗尖端有關，幼苗尖端為感受光刺激的部位。興趣小組隨即展示課前玉米種子萌發實驗。學生觀察，發現實驗結果和達爾文父子實驗結果高度吻合，進一步確認向光性的產生和幼苗尖端有關，彎曲部位是尖端下面的部位。

圖1 達爾文父子的實驗

設計意圖：教師帶領學生重溫達爾文父子的實驗，學習生物學家們是如何提出問題、作出假設、實驗求證、得出結論的，教會學生正確理解實驗現象、實驗變量以及各變量之間的關系。通過設置一系列問題，培養學生理解實驗設計原理、得出實驗結論的能力。

4.2.3 課堂模擬波森·詹森的實驗，強化操作，實施合作探究

幼苗的感光部位在尖端，發生彎曲的部位在尖端下面的部位，兩者之間是否存在某種聯系？教師引導學生發現問題：某種物質是否由幼苗尖端傳遞到了尖端以下部分，并發揮了作用。并提出假設：幼苗的尖端可能產生某種物質，由幼苗尖端傳遞到了下面。學生的好奇心被吸引后，分組討論試著設計實驗。隨后，教師分發實驗材料，請學生用黃瓜幼苗、瓊脂塊、云母片等材料設計實驗檢驗達爾文的化學物質假說——有一種化學物質由幼苗尖端向下傳遞。

學生利用已給材料，小組合作設計并進行實驗。組長對本組成員進行合理分工，動手能力強的操作員負責實驗操作，包括黃瓜幼苗去除尖端、插入并固定云母片或瓊脂塊、制作單側光紙箱等。發言員負責闡述小組實驗的設計、主要過程和結論。評價員負責實驗各環節的分析、并對其他組進行評價（人員分工、合作參與、實驗結果等）。在學生實驗過程中，教師全程用手機拍攝并通過希沃教學助手上傳至多媒體端，實驗結束后進行現場點評分析。小組成員通過閱讀教材先自主分析實驗過程，分析本組實驗出現的問題，最后派代表展示小組實驗，結合波森·詹森的實驗，得出結論：的確有一種化學物質由幼苗尖端向下傳遞。教師設疑：這個實驗的設計是否嚴密？該如何改進？學生討論后，得出：（1）缺少空白對照組，需排除瓊脂片、云母片對實驗的影響；（2）本實驗只能得出物質是否向下傳遞，但不能得出這種物質是如何使尖端下部彎曲生長的。

設計意圖：學生小組分工，合作設計并進行波森·詹森模擬實驗，提升了提出問題、分析問題、解決問題的能力及科學創新能力。各小組闡述實驗的設計、過程和結論，對其他組進行實驗評價，培養學生嚴謹的實驗評價和合作探究能力，幫助學生們逐步提升生物實驗素養。

4.2.4 分析評價總結溫特實驗，激疑啟思，發掘自主探究

如果尖端確實通過產生化學物質來影響下面部位的生長，那么這種物質應該可以轉移到瓊脂塊里面，從而使瓊脂塊具有與尖端同樣的效力，故溫特對波森·詹森實驗進行了改進。教師引導學生首先自主閱讀教材中的溫特實驗，并思考：（1）瓊脂塊在本實驗中起什么作用？（2）設置無生長素的瓊脂塊的兩組實驗的目的是什么？（3）瓊脂塊放置位置不同的實驗說明彎曲生長的原因是什么？學生觀察發現：（1）對照組均不生長、不彎曲，可排除瓊脂塊本身的影響；（2）瓊脂塊放在切面正上方，則幼苗直立生長；（3）瓊脂塊放在切面的一側，則幼苗彎向對側生長。對溫特實驗進行分析后，學生得出結論：幼苗尖端確實存在一種能夠促進生長的化學物質，并可向下傳遞。教師介紹其他生化學家的研究成果，指出：幼苗尖端合成的促進生長的物質化學本質是吲哚乙酸，是一種小分子有機物，在細胞內由色氨酸合成，被命名為生長素。

至此，生長素的發現過程完美結束，教師板書總結生長素的發現探究框架，請學生用科學、規范的語言對整個探究過程進行闡述，并再次總結科學研究的一般過程和設計實驗的基本原則。

設計意圖：教師采用啟發學生自主分析和小組討論分析相結合的方式來分析評價總結溫特實驗，培養學生分析評價實驗的能力。教師利用問題使學生科學思考、主動參與和闡述探究過程，提升學生在探究中獲取新知識的能力、正確表達的能力。

4.2.5 解釋幼苗向光生長的原因，建構模型，進行思維探究

學習了生長素的發現過程后，教師設疑：通過以上實驗過程，現在你能從生長素角度對植物的向光性作出解釋嗎？學生參考溫特實驗后，回答：由于生長素在幼苗尖端下面部位分布不均，造成了彎曲生長。那么對植物的向光性，單側光所起的作用是什么？單側光如何影響生長素分布不均呢？學生分析可能的原因有：（1）單側光將生長素轉移了；（2）單側光將生長素分解了；（3）單側光引起抑制生長的物質分布不均影響彎曲生長。教師展示模型——瓊脂塊生長素收集實驗：1和2是幼苗尖端，其中尖端1置于黑暗環境中，尖端2置于單側光環境中；ABCD是4個瓊脂塊，如圖2所示。實驗結果顯示：生長素濃度A=B，C＞A＞D。學生發現問題：為什么C和D瓊脂塊的濃度會出現差異？是由于生長素在光下分解了，還是運輸了？學生針對問題展開討論，得出結論：背光側生長素濃度高于向光側是由于向光側的生長素向背光側運輸導致。生長素能促進細胞伸長生長，背光側比向光側生長得快，從而造成向光彎曲生長。

圖2 瓊脂塊生長素收集實驗模型

最后教師要求學生畫出生長素的運輸方向模型圖，并解釋原因，并挑選模型建構較好的組別上臺展示。

教師體展示2017年《植物生理學報》刊登的科學家用玉米、向日葵、蘿卜作實驗材料進行的實驗：向光側和背光側的生長素含量基本相同，而向光側的生長抑制物質卻多于背光側。研究發現，植物的向光性是由于單側光照射引起某些抑制生長的物質不均勻造成的。教師引導學生認同：科學往往就在類似這樣的爭議中不斷發展……

設計意圖：教師引導學生解釋幼苗向光生長的原因，分析植物生長素分布不均與單側光的相互關系，促使學生學會用準確的圖表、術語來表達自己的觀點；構建生長素收集實驗模型和生長素的運輸方向模型，使學生形成比較與歸納的邏輯思維能力；展示植物向光性的最新研究成果，引導學生用發展的觀點，理解科學在不斷發展中前進的科學思維觀。

4.3 課后嘗試解決植物向光生長問題，社會參與，強化責任探究

教師設問：根據本節課所學知識，能否幫忙解決學校陽光房番茄和辣椒向光生長？全體學生討論得出改進措施：（1）改變陽光房外部結構，使單側光照變為全光照；（2）設置半自動補光器，在弱光一側定時補充光源；（3）向植物導入向光素，促使植物彎向光源，確保其以最佳取向捕獲光源。教師肯定學生的想法，并鼓勵學生在現階段努力學習科學知識，以后學以致用，去嘗試解決生活中的問題。興趣小組學生經過一個多月的探索，自我設計了半自動補光器在陽光房中進行安裝與調試，引起了全校學生廣泛的關注。

設計意圖：本節課緊扣探究主題，促使學生學到知識后真正學以致用。課后，教師引導學生解決植物向光生長問題，并設計后續實驗進行探究，使學生能將理論和實踐結合起來，嘗試解決生產生活中的生物學問題，有助于學生生物學核心素養和社會主義核心價值觀的提升。

5 教學思考

5.1 多種教學方法相結合的“探究式”教學設計

本節課以生長素探究發現的過程為核心，采用探究式教學模式，通過模擬生物學家實驗探究法、對比分析法、總結歸納法、問題討論法等教學方法，輔以多媒體教學（ppt和希沃教學助手），引導學生再現生長素的發現過程，從而使學生獲得向光性與生長素的相關知識以及探究實驗的基本技能和思維能力。

5.2 課前課中課后互相補充的“三段式”實驗設計

新課程標準指出：為了讓學生更好地理解與掌握教學內容，教學中要高度重視學生的實踐環節，力求為學生提供更多的動手實踐機會。本節課的教學是，課前進行生物興趣小組實驗、課上模擬波森·詹森的實驗就是按照新課程標準要求制定的。同時，教師結合重溫達爾文父子實驗和分析評價溫特實驗，讓學生切實體驗科學探究實驗的方法和過程。課后，又給學生布置進一步的探究課題，實現使學生帶著問題進入課堂，又帶著更多的問題走出課堂的教學效果。

5.3 科學、技術、工程多學科相融合的實踐設計

生物課程的價值是要讓學生在形成生物學核心素養的同時，能用科學的觀點、知識、思路和方法，面對或解決現實生活中的某些問題。本節課中，學生通過探究類學習活動——生長素的發現和完成工程學任務——幫助解決陽光房中植物向光生長問題，加深了對生物學概念的理解，提升應用知識的能力。將科學、技術、工程學整合到實踐活動中，也能更好地培養學生的生命觀念、科學思維、社會責任等生物學核心素養。