創新教科書實驗
——以“探究植物細胞的吸水和失水”為例

閔倫仔 （廣州市增城區派潭中學 廣東廣州 511385）

1 教學背景

1.1 教材分析

本節內容是人教版高中生物必修一第四章第一節的內容。該實驗是高中生物課程第一個探究實驗，是倡導探究性學習、發展探究能力的良好素材。該實驗要求學生能夠提出問題，作出假設，體驗實驗的科學方法和思維過程，并在此過程中理解細胞吸水和失水的外因、內因及原生質層相當于一層半透膜并具有選擇透過性等知識點，為今后學習物質跨膜運輸奠定基礎。

1.2 學情分析

學生上節課已經學過滲透作用、哺乳動物紅細胞吸水和失水實驗以及原生質層的概念，并從生活中已獲得了一些直觀的認識，但對植物細胞吸水和失水的基本原理、所需要的條件，缺乏理性認知。學生基本掌握臨時裝片的制作和顯微鏡的使用技能，但是設計實驗、探究創新能力較差。

2 教學目標

通過觀察生活中的常見現象，挖掘生物問題，并通過科學探究，能夠針對特定的生物學現象，進行觀察、假設、實驗設計、方案實施以及結果的交流與討論，在學習科學知識和提升科學探究能力的同時，能夠培養學生團隊合作的精神。

3 教學重點和難點

3.1 重點

（1）理解植物細胞吸水和失水原理。

（2）植物細胞吸水和失水的外因和內因。

（3）理解植物細胞的原生質層相當于一層半透膜。

3.2 難點

（1）理解植物細胞吸水和失水原理。

（2）理解植物細胞的原生質層相當于一層半透膜。

（3）嘗試提出問題，作出假設，設計實驗，驗證假設——體驗科學探究的一般過程。

4 實驗材料

光學顯微鏡、智能手機、天平、刀片、鑷子、載玻片、蓋玻片、吸水紙、物質量濃度為0.3~0.6 g·mL-1蔗糖溶液、物質量濃度為0.1 g·mL-1KNO3溶液、清水、洋蔥、紅背桂葉片、紫萬年青葉片、火龍果皮。

5 教學過程

5.1 課前準備

上節課結束時，教師提出兩個問題留給學生課后思考：

（1）植物細胞能吸水和失水嗎？

（2）能不能從生活中找到現象或者自己設計小實驗來證明你的結論？

5.2 創設生活情境，導入新課

課堂上，學生展示上節課教師提出的兩個問題的討論結果。學生一致認為植物細胞能吸水也能失水，并舉例如下：

（1）市場賣青菜的農民如果不間斷地灑水，菜會萎焉，證明植物能失水。灑水后菜葉會很新鮮，證明了植物細胞能吸水。

（2）涼拌青瓜，加鹽和醋后會有很多汁液滲出，證明植物細胞能失水。

（3）有一組學生還設計了非常巧妙的實驗：取兩個礦泉水瓶，一個放清水，一個放同體積的高濃度鹽水，分別放入兩顆長勢相同的青菜，結果加清水的青菜依然堅挺，而高濃度鹽水中的青菜已經萎焉。

通過生活現象的觀察和小實驗的設計，學生能夠非常直觀地感受到植物細胞能吸水和失水，并激發了對探究植物細胞吸水和失水的原理的欲望。

5.3 通過演示視頻和動畫，直觀的呈現微觀現象

教師在播放演示視頻的同時，引導學生觀察整個細胞大小變化，液泡大小、顏色深淺的變化，并完成表1內容。學生通過對植物細胞吸水與失水的微觀現象的觀察，初步理解植物細胞吸水和失水原理以及植物細胞的原生質層相當于一層半透膜。

表1 實驗結果記錄表

學生完成表格后，教師通過質壁分離及復原動畫的播放及引導，使學生能用微觀的原理解釋宏觀的實驗現象。這樣，學生能直觀地理解：當外界濃度大于細胞濃度，植物細胞會失水；當外界濃度小于細胞濃度，植物細胞會吸水。通過觀察，學生發現不管植物細胞吸水還是失水，細胞的大小基本不變，變化較明顯的只是液泡的大小和原生質層的位置。

通過此環節，學生能很好地掌握植物細胞吸水和失水的外因和內因，并能更深入理解“植物細胞吸水與失水的原理”和“植物細胞的原生質層相當于一層半透膜”這兩個知識點。這也是為后面進一步的探究實驗做準備。

5.4 對教科書實驗的創新

5.4.1 探究實驗Ⅰ

教師提出問題：洋蔥鱗片內表皮細胞能作為實驗材料嗎？

學生撕取洋蔥鱗片內表皮細胞，按照演示實驗的方法與步驟進行實驗。經過實驗，學生發現：顯微鏡下觀察到滴加清水的洋蔥鱗片內表皮細胞和滴加0.3 g·mL-1蔗糖溶液的洋蔥鱗片內表皮細胞基本沒什么區別。為什么洋蔥鱗片外表皮可以，而內表皮細胞不行呢？

學生通過討論對比，在教師的引導下，總結得出：因為洋蔥鱗片內表皮細胞原生質層沒有顏色，所以實驗現象不明顯。因此，要清楚地觀察到植物細胞的質壁分離，原生質層必須要有顏色實驗現象才能更明顯。

5.4.2 探究實驗Ⅱ

教師提出問題：除了洋蔥，生活中哪些熟悉的植物能用來做實驗材料？

有了第一個探究實驗的基礎，學生知道必須要選用具有顏色的實驗材料。課前，學生在校園內發現紅背桂、紫色萬年青的葉片下表皮有顏色，另外，火龍果的果皮也有顏色。學生分組，分別以這三種材料作為實驗材料，以0.3 g·mL-1蔗糖溶液按照教科書上的方法與步驟實驗實驗，發現：這三種材料都能明顯的觀察到質壁分離現象，并且前兩種材料可以在校園內就地取材比洋蔥更加經濟實惠。而利用火龍果的果皮是廢物利用。通過這個實驗，在觀察質壁分離的同時，學生發現紅背桂、紫色萬年青兩種葉片的下表皮細胞氣孔非常明顯。這也為光合作用氣孔的觀察和研究光合作用過程中氣孔導度的變化提供了豐富的材料。

5.4.3 探究實驗Ⅲ

在冬天與春天之間那些含混不清的日子里，亂雨遷延著冬日的寒意。母親死后，一杭情緒一直比較低落。如果不是為了所謂的真相，也許他不會離開病中的母親，母親可能就不會出事。而自己拼命得到的，原來是一個錯誤的真相。核桃臉被人收買了。而這個人不是夏冰，夏冰恰恰是被他誣陷的對象。所以，夏冰才想殺他。一定還有一個人，躲在暗中，操縱一切。

教師提出問題：植物細胞會不會像動物細胞一樣失水過多而失活？怎么判斷細胞已失活？

學生通過上一節課學習水分進出哺乳動物細胞的狀況知識點后，已經知道高濃度的溶液會使動物細胞失水過多而死亡。并且，通過上面的實驗學生知道了當蔗糖濃度大于0.3 g·mL-1時，洋蔥鱗片外表皮細胞就會失水出現質壁分離。因此，學生分組討論并設計如表2所示的蔗糖濃度梯度，并以洋蔥鱗片外表皮細胞為實驗材料，對該問題進行探究并記錄結果。

表2 高濃度蔗糖溶液對洋蔥鱗片外表皮細胞吸水與失水影響的實驗結果

通過實驗結果的觀察，學生發現4組實驗條件下的洋蔥鱗片外表皮細胞都會發生質壁分離，并且濃度越大質壁分離現象越明顯。但是在蔗糖濃度為0.3、0.4 g·mL-1時，通過在載玻片一側滴加清水，另一側吸水紙吸引后，細胞會慢慢的發生質壁分離復原。當蔗糖濃度為0.5、0.6 g·mL-1時，滴加清水后細胞不再發生質壁分離復原。

在教師的引導與分析中，學生得出實驗結論：高濃度溶液會使植物細胞失水過多而死亡，并且死細胞不會發生質壁分離復原。所以活細胞是觀察質壁分離復原的必要條件。

5.4.4 探究實驗Ⅳ

教師提出問題：K+、NO3-等離子是植物所需要的，如果用含有這些離子的溶液做實驗結果會怎么樣？

該實驗中，學生全程用智能手機鏡頭對準目鏡進行錄像。這樣比用眼睛觀察更加輕松，且可為以后教學留下豐富的教學材料。學生通過觀察發現：0.1 g·mL-1的KNO3溶液會使細胞先失水發生質壁分離，但一段時間后不用滴加清水也會發生質壁分離復原。而處于0.3 g·mL-1蔗糖溶液下的細胞會發生質壁分離現象，但若不滴加清水，則細胞不會發生質壁分離復原。

通過以上實驗，學生知道：植物細胞的原生質層相當于一層半透膜，可允許需要的物質進入細胞。當細胞處于0.1 g·mL-1的KNO3溶液時，因為外界濃度比細胞濃度高，細胞會失水，但是細胞在失水的同時，K+、NO3-會慢慢的進入細胞。所以一段時間后，細胞內的濃度會高于外界濃度，此時細胞會吸水而出現質壁分離復原。

通過教師的引導分析，學生較容易突破此難點，也為后面能更好地理解植物吸水與吸收礦質元素是一個相對獨立的過程做鋪墊。

6 教學反思

筆者所在的學校的實驗室條件完全不能與市區學校相媲美。并且不少學生的基礎知識較差，再加上初中生物不參加中考，很多學生在初中沒有好好學習，更別說學生的實驗操作了。因此，學生在作出假設、設計實驗等方面會有一定的難度，需要教師必須設置好不超出學生當前的認知水平的探究梯度，并適時、恰當地為學生的創新提供幫助，使其能享受成功喜悅，激發并維持其創新熱情。

本實驗中，教師有意提供了KNO3溶液這一實驗試劑。雖然該實驗難度較大，但只要認真分析實驗現象，學生可以對植物細胞滲透吸水、失水的原理有深層次的認識，并進一步理解植物吸水與吸收礦質元素是一個相對獨立的過程，使知識實現升華。整個實驗過程中，學生都用智能手機攝像頭對實驗結果進行拍照和錄像。學生利用周末整理的照片整理，并將最后的KNO3溶液探究實驗剪輯成視頻配上文字。

通過本節內容的幾個探究創新型實驗的設計與實施，進一步提高了學生科學探究能力、創新能力和團隊合作能力。這無疑是一種教學與思維的創新。對于學生日后獨立進行科學探究活動十分有益。