基于“資料型探究活動”的教學及反思——以“其他植物激素”一節為例

劉本舉 （首都師范大學附屬中學 北京 100048）

按照現代認知心理學的知識分類系統，知識可分為陳述性知識和程序性知識兩大類。陳述性知識要求的心理過程主要是記憶，但其獲得過程要求新知識必須與原有知識形成聯系。所以，單純的機械記憶是難以達成教學目標的。要做到新知識與原有知識形成聯系，就需要借助于原有知識的遷移，通過個體思考獲取新知識。因此，在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》所規定的內容中，陳述性知識的教學思路可借助于“資料型探究”活動進行設計，有助于幫助學生構建新知識，提升學科核心素養。

“資料型探究活動”的教學設計，需要教師按照課程標準的要求，結合教材內容查找相關資源，從知識的來源組織資料，整合為適合學生探究的小課題，以探究性思考題為主線，引導學生進行基于資料的探究性學習活動。通過思考、分析、論證獲取新知識，才能建立與原有知識的聯系。本文以“其他植物激素”一節為例，探討基于“資料型探究活動”的教學實施策略。

1 教材分析及設計思路

“其他植物激素”是高中生物學選擇性必修1第5 章第2 節，主要內容為其他激素的種類和作用、植物激素間的相互作用，主要是陳述性知識。本節課是“植物生長素”一節內容的重要補充及延伸，具備其固有的教育價值，對于學生從宏觀上掌握植物的激素調節網絡具有不可替代的作用。能讓學生從整體上認識到各種激素并非孤立地起作用，而是多種激素共同調控植物的生長發育和對環境的適應；并且挖掘其中蘊含的教育素材，設計為學生的探究性學習活動，可從論證、推理等方面培養學生的科學思維與科學探究能力，在培養學生學科核心素養上起到很好的作用。

教材以平鋪直敘的方式，介紹了赤霉素的發現過程；簡單介紹了細胞分裂素、脫落酸、乙烯等植物激素的產生部位及主要功能；舉例說明了各種激素的相互作用關系。如果按照教材內容平鋪直敘地講解，整個教學過程就呈直線狀，直白而簡單，學生被動接受、機械記憶知識。沒有科學思維的訓練，科學探究能力的提升也無從談起。植物激素的發現和研究歷程都蘊含了科學家的智慧和科學方法，好的教學設計能使學生沿著科學家探索生命世界的道路，理解科學的本質和科學研究的思路和方法，對于提高學生的生物學學科核心素養很有意義。本節課以“基于資料的探究性學習”為主線，重組資料，設計探究性學習活動，讓學生通過探究獲取知識。

2 教學過程

2.1 赤霉素

2.1.1 赤霉素的發現 將相關科學史轉化為學生探究性學習的小課題，讓學生在“讀（獲取信息）→想（利用原有知識進行思考與分析）→說（解決問題的辦法）”的過程中學習相關知識。

資料1：1926年，科學家觀察到，當水稻感染了赤霉菌后會瘋長（惡苗病），極大降低結實率。研究者將赤霉菌培養基的濾液噴施到水稻幼苗上，也出現了惡苗病癥狀。

從這份資料中你能得出什么結論？引導學生思考并總結：導致水稻患惡苗病的不是赤霉菌菌體，而是赤霉菌產生的某種化學物質。

資料2：20世紀50年代，科學家從赤霉菌培養液中分離和鑒定了可導致惡苗病的3 種不同的赤霉素，分別命名為赤霉素A1（GA1）、A2（GA2）、A3（GA3）。

果然，植物體內含有這種可導致惡苗病的化學物質。但是，到此為止，還不能確定赤霉素是植物激素，因為只是從赤霉菌培養基中獲得了這種物質，還沒有從植物體內發現過。植物體內是否有這種物質？

資料3：20世紀50年代，科學家發現：外源GA可使矮生型玉米（一種突變體）顯著長高，達到正常（野生型）玉米的高度，但不能使正常玉米明顯增高（圖1）。

圖1 赤霉素處理矮生型玉米可使其達到正常高度

對此現象有2 種解釋（學生自行閱讀），你認同哪一種？請說出你的理由。

①矮生型和野生型玉米體內均可產生內源性GA，但矮生型缺乏GA 的受體；②矮生型玉米體內產生的內源性GA 較少，外源GA 補充了內源性的不足。

教師提問后引導學生分析：激素必須與其特異性受體結合才能發揮作用。若該矮生型玉米缺乏GA 受體，則添加外源GA 是不能發揮作用的。因此，第1 種解釋是不對的。如果矮生型玉米內源性GA 產生過少而導致植株矮小，添加足量的外源GA 即可生長至正常高度。如何解釋野生型對外源GA 不敏感？是因為其自身產生的內源性GA 已足夠多的緣故（注意：GA 在促進生長方面沒有兩重性，濃度高也不會造成抑制，這點與IAA 不同）。可見，第2 種解釋更為合理。能合理解釋實驗現象是否一定正確？不一定，因為這僅是一種科學推理。植物體內是否能產生內源性赤霉素？

資料4：1958年，人們從紅花菜豆未成熟的種子中提純了赤霉素GA1。后來又陸續發現了植物體內有多種GA。

至此，已確認植物體內可合成GA，并且不止一種，赤霉素屬于植物激素。

上述資料已充分表明，GA 能促進植物莖伸長。有關資料表明其還可促進種子、塊莖等休眠體的萌發。

解釋休眠體：植物的種子、塊莖形成之后不能立即萌發，被稱為休眠體，其實屬于植物的一種適應性，有利于植物順利度過寒冷的冬天。春天來了，萬物復蘇，種子等休眠體開始萌發，這是否是GA 在發揮作用？

2.1.2 赤霉素可促進種子的萌發 讓學生通過“資料閱讀→獲取信息→實驗分析→信息關聯→綜合推斷”，解釋GA 是如何促進種子萌發的。

資料5：種子中的GA 主要來自胚，GA 可促進種子的萌發。種子中胚的萌動需要胚乳提供營養物質，小麥種子的胚乳中儲存大量淀粉，為胚的生長發育提供充足的能源物質。某生物學興趣小組為了探究GA 促進種子萌發的原理，用去胚小麥種子（保留完整胚乳）進行了如下實驗：將若干小麥種子均去掉胚（僅去掉胚，保留完整的胚乳部分），隨機均分為甲、乙2 組；甲組用清水、乙組用一定濃度的赤霉素溶液浸泡，30℃培養48 h；將甲、乙2 組種子均切為兩半，分別放入2 個加入淀粉的瓊脂平板內（切面接觸平板）；6 h 后用I2-KI 溶液沖洗平板，結果如圖2。

圖2 去胚小麥種子實驗

提出問題：請根據資料解釋實驗現象，并嘗試推測GA 促進種子萌發的原理（提示：你需要從資料中獲取有效信息，并利用學過的知識進行推理，關聯相關信息，解釋GA 是如何促進種子萌發的）。

分析總結：透明圈的出現是因為淀粉被水解，常溫、常壓下淀粉的水解需要借助于淀粉酶。實驗組產生了淀粉酶而對照組沒有，說明GA 可誘導胚乳產生淀粉酶。再結合資料可知，種子萌發過程中，胚可產生GA，而GA 可誘導胚乳產生淀粉酶，促進淀粉水解，為胚的萌發提供充足的能源物質，從而促進種子的萌發。

總結GA 的發現、生理功能等知識，并布置任務。還有其他幾種植物激素：細胞分裂素、脫落酸、乙烯等，學生可閱讀教材第97 頁，以表格形式總結歸納其產生部位、生理作用等，在此不再贅述。

2.2 植物激素間的相互作用

2.2.1 生長素與赤霉素的相互作用

資料6：①生長素（IAA）與受體結合才能發揮其作用。ABP1是生長素的受體蛋白，在生長素足量的情況下，ABP1的過量表達，可使生長素的作用增強。在ABP1過量表達的煙草葉片中，處于G2 期的細胞核比率是野生型的2 倍。在實驗條件下，離體的植物細胞在只有生長素（IAA），沒有細胞分裂素（CTK）的條件下，會形成大量多核細胞。在存在細胞分裂素的條件下，生長素才能促進細胞分裂。②生長素可使植物形成頂端優勢現象，若施加細胞分裂素，則可促進側芽發育，形成側枝，打破頂端優勢。

問題1：請根據上述資料①推斷IAA 和CTK在促進細胞分裂方面有何不同？IAA 和CTK 二者之間有什么關系？

問題2：資料②的實驗現象說明生長素和細胞分裂素在影響植物頂端優勢方面具有什么關系？能得出什么結論？

分析總結：根據資料①，生長素主要促進細胞核分裂，細胞分裂素能促進細胞質分裂，只有二者共同作用才能更好地促進細胞分裂，二者為協同關系。資料②說明在影響植物頂端優勢方面，生長素和細胞分裂素具有拮抗關系。2 份資料聯合說明2 種激素在調節不同的生理過程時，二者之間的關系并非固定不變，有時協同，有時拮抗。

2.2.2 赤霉素和脫落酸的相互作用

資料7：①赤霉素可促進種子、塊莖等休眠體的萌發。②所謂胎萌現象，是指種子在未脫離母體植株前就開始萌發的現象。脫落酸（ABA）合成缺陷型突變體的胎萌現象可用外源ABA 處理加以抑制。

引導學生分析：根據資料可知，GA 可打破休眠，ABA 可促進并保持休眠，二者作用效果相反，為拮抗作用。通過資料推測，種子的休眠與萌發受GA 和ABA 共同調節，二者在調節種子萌發時有什么特點？請學生閱讀下列資料，解決問題。

資料8（學生閱讀）：擬南芥GA 缺陷型突變體的種子GA 含量極低，在缺乏外源GA 的培養基上是不能發芽的。將這些種子進行誘變處理，篩選能發芽的突變株。發現能發芽的植株不是能合成GA 的回復突變株，而是ABA 缺陷型突變體。檢測發現這種雙突變株種子內的ABA/GA 的比例與野生型種子相同，而2種激素的絕對水平都比野生型更低。

問題：請閱讀資料8，分析ABA 和GA,調節休眠體萌發時有何特點？

分析總結：種子的休眠與萌發并非取決于2種激素的絕對量，而是由二者比例決定，ABA/GA比值較高促進休眠，反之促進萌發。還有很多類似現象，例如，脫落酸/赤霉素的比值較高有利于黃瓜形成雌花，反之，有利于形成雄花；在植物組織培養過程中，培養基中生長素/細胞分裂素的比值較高有利于根的分化，反之，有利于芽的分化。這些事實表明，植物的生命活動往往是多種激素共同調節的，并非一種激素的單獨作用。

2.3 激素間相互作用的原理

2.3.1 生長素和乙烯的相互作用原理

資料9：生長素水平較高時可促進ACC（乙烯的前體物質）合成酶的活性，促進ACC 合成進而促進乙烯的生成。實驗表明，外源施加IAA 可導致多個ACC 合成酶基因的轉錄水平提高，乙烯產量升高。若施加蛋白質合成抑制劑，則可阻斷IAA 誘導的乙烯合成。乙烯可促進細胞橫向擴張、抑制生長素合成。

問題：請根據資料，解釋生長素水平過高可抑制莖伸長的原理。

引導學生分析：①低水平的生長素可促進細胞縱向伸長；②其水平過高時，誘導ACC 合成酶基因的轉錄水平提高，促進了ACC 的合成，進而促進了乙烯的合成；③乙烯水平的提高促進了細胞橫向擴張，抑制細胞的縱向伸長。故高濃度IAA 可抑制莖的伸長。蛋白質合成抑制劑實驗進一步驗證了這個過程，說明IAA 并非直接促進乙烯的生成，而是通過促進和乙烯形成有關的某種蛋白質間接促進乙烯的生成。

2.3.2 生長素和赤霉素相互作用的原理

資料10：將豌豆分為3 組：分別保留頂芽、切去頂芽、切去頂芽并添加生長素。一段時間后檢測植株中赤霉素的含量，結果如圖3。

圖3 生長素對豌豆幼苗赤霉素水平的影響

引導學生分析：頂芽是產生生長素的主要部位。去掉頂芽的豌豆赤霉素水平極低，不去頂芽的和去掉頂芽又添加生長素的組赤霉素水平均明顯升高，得出結論：生長素可促進赤霉素水平的升高。

資料11：圖4表示赤霉素對生長素水平的影響圖解。

圖4 赤霉素對生長素水平的影響圖

根據圖4分析：赤霉素可通過促進色氨酸轉化為生長素、抑制生長素的分解（即增加來源、減少去路）以提高生長素的水平。即赤霉素也可促進生長素水平的提高。豌豆體內的IAA 和GA 相互促進，二者表現為協同作用。

根據上述資料及結論，回答問題：表1是科研工作者研究棉花幼苗頂端優勢時發現不同植物激素對側芽生長的影響。請分析乙組和丙組出現了相反結果的原因（由學生討論解決）。

表1 不同植物激素對棉花幼苗側芽生長的影響

總結：根據資料得知，GA 可促進IAA 水平的提高，對IAA 具有增效作用。乙組沒有去掉頂芽，直接施加GA，促進了IAA 水平的進一步提升，所以，頂端優勢更加顯著。丙組去掉頂芽，失去了IAA 的主要來源，在切口處施加GA，GA 直接發揮作用，導致側芽迅速生長。

2.4 植物激素在不同發育階段表現為不同水平的調節 首先，引導學生分析草莓果實發育過程中乙烯含量的動態變化圖，讓學生明白植物激素在不同發育階段是動態變化的；在此基礎上，再讓學生分析獼猴桃果實發育和成熟過程中激素的動態變化，并進行激素動態變化和果實發育的相關性分析。

圖5為草莓果實發育過程中乙烯含量的動態變化。利用已學知識，分析乙烯動態變化與草莓果實發育過程的相關性。

圖5 草莓果實發育過程中乙烯的動態變化[4]

引導學生分析：草莓乙烯水平升高可促進開花，授粉后乙烯保持高水平可促進花瓣脫落，果實逐漸膨大。之后，乙烯一直保持低水平，果實在其他激素作用下迅速發育。果實成熟期乙烯水平再次提升，促進果實成熟，果實成熟時乙烯水平達到最高。

圖6為獼猴桃果實發育和成熟過程中激素的動態變化。

圖6 獼猴桃果實發育過程中多種激素的動態變化[4]

提出問題：圖6為獼猴桃果實發育和成熟過程中生長素、細胞分裂素、赤霉素和脫落酸的動態變化，請根據所學知識描述各種激素變化過程和獼猴桃果實發育成熟過程的相關性？（由學生討論解決）

分析歸納：開花后30 d 內生長素和細胞分裂素水平較高，可較好地促進果實生長膨大，后期處于低水平有利于果實的成熟；赤霉素在生長素和細胞分裂素高峰之后促進果實發育；脫落酸在開花初始階段水平較高，有利于花瓣脫落，后期升高有利于果實的衰老和成熟后的脫落。不僅各種激素都是動態變化的，而且不同激素的調節還出現了一定的順序性。正是各種激素的動態變化、順序出現，在不同的階段發揮調節作用，才促進了植物體的正常生長發育、花開花落、迭代更替，讓神奇的大自然鳥語花香、生機盎然。

2.5 對“資料型探究活動”的思考 陳述性知識的教學設計常簡單化和直白化，導致在核心素養的培養方面有所欠缺，怎樣才能使新知識與原有知識形成聯系？怎樣才能順利構建新知識并促成知識遷移？這是值得思考的問題。基于“資料型探究活動”的教學過程，不僅摒棄了以機械記憶為主的接受式學習，使知識學習與能力培養無縫銜接，并創設了良好的思考與探究氛圍，對于好奇心較強的中學生來說，非智力因素的提升也是必然的。

本節課充分挖掘和篩選激素發現和研究過程的科學史料，加工重組為適合學生閱讀思考的小課題，創設科學探究的氛圍，利用問題引導學生通過思考解決問題。教學設計盡力引導學生主動思考，摒棄以往教學僅注重知識傳授的接受式學習，避免機械記憶，倡導探究學習。在此過程中，激發了學生的學習興趣和學習積極性，在思考和探究的過程中培養了學生的科學思維和科學探究能力，在非智力因素的養成和智力發展方面均起到了良好的教學效果。