基于生物學學科實驗課程的綜合實踐活動主題活動設計
——以“植物細胞質壁分離現(xiàn)象的認知拓展”為例

安徽 余中賓 張曉盼

“植物細胞的吸水和失水”是人教版高中生物學必修1教材《分子與細胞》的探究·實踐欄目，該實踐探究有利于學生加深對生物學滲透作用的理解，從而幫助學生在“水是細胞重要組成成分”的基礎上達成對“物質通過被動運輸、主動運輸?shù)确绞竭M出細胞，以維持細胞的正常代謝活動”重要概念的理解。教學中，由于此實驗操作簡單導致其可能會被忽略，或者只用紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞觀察較明顯的質壁分離現(xiàn)象，后者可能會使學生產(chǎn)生“只有有顏色的細胞才能發(fā)生質壁分離的現(xiàn)象”的慣性認識，不利于對植物細胞結構產(chǎn)生更深層次的認識，更不利于學生對植物細胞失水在農(nóng)林生產(chǎn)實踐中的理解和應用。

在設計與實施綜合實踐活動課程時，要引導學生主動運用學科知識分析、解決實際問題，使學科知識在綜合實踐活動中得到延伸、重組與提升。本文嘗試將教材中探究的內(nèi)容拓展為生物學學科的綜合活動實踐，引導學生積極審視實踐內(nèi)容，構建證據(jù)，反思生物學原理和概念，對所發(fā)現(xiàn)的生物學現(xiàn)象進行分析、解決，從而達到拓展、加深學生對教學中的知識的記憶和主動運用生物學學科知識分析、解決實際問題的目的。與此同時，為選擇合適的學科內(nèi)容為高中生物學課程關聯(lián)的綜合實踐活動，做到常態(tài)實施的可行性和實效性進行經(jīng)驗積累和實踐摸索。

一、建構生物學綜合實踐活動的一般過程

綜合實踐活動內(nèi)容的選擇與組織要遵循自主性的原則，要注重引導學生回歸課本，回顧基礎知識，從特定的情境角度來確定具體內(nèi)容和設定活動目標任務；從實踐性和連續(xù)性看，在探究、設計、操作中進行體驗和感悟，在發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題中進行合作、交流和評價，加強知識內(nèi)容在系列活動中的銜接，構建合理的活動主題序列進行拓展升華(圖1)。

圖1

二、生物學綜合實踐活動設計過程

1.實施條件

(1)活動對象

高中生物興趣小組，共6組，每組2～3人

(2)實施課時

3個課時

(3)實施方式

建立合作小組，以小組為單位圍繞“觀察洋蔥鱗片葉外表皮細胞的失水”進行活動。

(4)實施設施及器材

常規(guī)生物實驗室試驗臺，光學顯微鏡、不同濃度的蔗糖溶液、清水、各種植物組織、刀片、載玻片、蓋玻片、滴管、吸水紙、提供拍攝的手機。

2.實施過程

(1)設置問題情境，重現(xiàn)洋蔥鱗片葉外表皮細胞的質壁分離現(xiàn)象(第1課時)

回顧細胞滲透作用的原理，明確探究目的：學生自主設計觀察到清晰的質壁分離現(xiàn)象時合適的蔗糖溶液濃度的方案。同時教師提出問題：①質壁分離的細胞學結構基礎是什么？②在一定的時間內(nèi)觀察時，蔗糖溶液的濃度是越大越好嗎？③如何確定洋蔥鱗片葉外表皮細胞質壁分離時合適的蔗糖溶液濃度？

學生分工合作，配制質量濃度為0.1 g/mL、0.3 g/mL和0.5 g/mL的蔗糖溶液，制作4個臨時裝片同時用手機拍攝；指導學生刀片劃“井”字，用鑷子撕取紫色洋蔥鱗片葉外表皮單層細胞制作成臨時裝片。

教師給出兩種觀察方案：①制作清水下細胞臨時裝片，顯微鏡下觀察，然后在載物臺上臨時裝片的蓋玻片一側滴加某濃度蔗糖溶液，用吸水紙重復引流后觀察。②用鑷子撕下表皮后直接放在載玻片中央的蔗糖溶液滴中，展平蓋上蓋玻片，制成臨時裝片觀察。

學生比較兩種方案，根據(jù)顯微鏡下觀察到的現(xiàn)象和所需時長進行比較得出：第一種方案操作煩瑣，難度較大，且臨時裝片中的清水會稀釋蔗糖溶液，導致發(fā)生質壁分離時間延長等。

光學顯微鏡下觀察并比較清水里和不同蔗糖溶液里的細胞的變化情況，并用手機對著目鏡拍照，然后記錄(表1)，最后通過引流清水觀察是否發(fā)生質壁分離復原現(xiàn)象確定合適的蔗糖溶液濃度。

表1 不同蔗糖溶液濃度下紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞的變化情況

各小組交流觀察過程、結果，可以展示小組滿意的觀察結果(圖2)，也可以列出不滿意的結果并提出質疑，比如取材位置、浸潤蔗糖溶液方式、同一個顯微鏡觀察視野下的細胞質壁分離程度不一樣等。嘗試分析解釋，并在教師指導下改進操作過程。

圖2

(2)觀察洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞及質壁分離現(xiàn)象(第2課時)

打破知識思維定式，通過顯微鏡觀察明確紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞不是唯一能發(fā)生質壁分離的細胞，紫色便于觀察到質壁分離的失水現(xiàn)象。植物細胞失水出現(xiàn)質壁分離現(xiàn)象是普遍存在的。與外表皮相比，內(nèi)表皮更容易撕取，如何觀察到?jīng)]有顏色細胞的質壁分離現(xiàn)象呢？

嘗試用內(nèi)表皮細胞在合適的蔗糖溶液里進行操作，觀察到清晰的圖像后描述、記錄、拍攝(圖3)。

圖3

①小組代表展示拍攝較好的圖片，嘗試指出顯微鏡下清水里無色的內(nèi)表皮細胞的細胞結構及無色的內(nèi)表皮細胞在蔗糖溶液里質壁分離現(xiàn)象的特點。

②各組組織討論，對結果不明顯的找出問題，比如顯微鏡視野太亮；取的組織太厚，導致多層細胞疊加等，提出改進方法。

③嘗試在蔗糖溶液中滴加紅墨水，在顯微鏡下觀察內(nèi)表皮細胞的變化，記錄現(xiàn)象并拍攝(圖4)。

圖4

④各小組根據(jù)對觀察結果的評價意見(表2)進行交流，討論沒有出現(xiàn)預期現(xiàn)象的原因并改進。

表2 顯微鏡觀察洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮結果評價表

教師需要特別指出細胞壁與細胞膜之間蔗糖溶液的折光度與細胞液不同，用顯微鏡在不太明亮的視野下進行辨認是否發(fā)生質壁分離。無色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞具有中央大液泡，與洋蔥鱗片葉外表皮細胞相比，顯微鏡下觀察到的質壁分離現(xiàn)象不明顯。在配制好的蔗糖溶液里滴加紅墨水，可能會稀釋蔗糖溶液，教師應建議學生直接用含有紅墨水的清水作為溶劑配制蔗糖溶液。對于活動可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，教師需要預判并啟發(fā)學生討論可能的原因，例如：細胞全部被染紅的原因可能是蔗糖溶液濃度太大或者處理時間過長，導致細胞過度失水，細胞膜失去了選擇透過性等。

(3)觀察其他植物細胞的質壁分離現(xiàn)象(第3課時)

綜合實踐活動強調運用學科知識認識、分析和解決現(xiàn)實問題，提升綜合素質，著力發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)，特別是社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力。

通過前兩個課時的實驗明確植物細胞質壁分離的結構特點，嘗試從細胞大小和質壁分離時的合適細胞外液濃度等方面篩選其他材料并觀察，應用于生產(chǎn)、生活實踐。通過植物細胞失水的原理觀察洋蔥根尖的根毛區(qū)細胞，用蔗糖溶液模擬土壤溶液，分析鹽堿地不適合植物生長的原因，闡述無土栽培時營養(yǎng)液濃度的限制問題，及農(nóng)業(yè)、果林在不同濕度、不同溫度下合理灌溉和施肥的問題。通過觀察菠菜等植物的葉肉細胞葉綠體的分布情況判斷質壁分離情況(圖5)，模擬探究向植物直接噴灑溶液時的濃度范圍。

圖5

三、典型試題分析

【例題】某同學利用無色透明的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞和加有伊紅(植物細胞不吸收的紅色染料)的0.3 g/mL的蔗糖溶液為材料按圖6步驟進行了質壁分離和復原實驗，回答下列問題。

圖6

(1)甲→乙的實驗過程中，判斷細胞發(fā)生質壁分離現(xiàn)象的依據(jù)是________。

(2)在乙→丙的實驗過程中，水分子的主要運動方向是從________(填“細胞外到細胞內(nèi)”“細胞內(nèi)到細胞外”或“不移動”)，在這個過程中，乙細胞的吸水能力________。水分子的這種移動過程稱為________。

(3)正常情況下，圖6乙中細胞的細胞液________(填“能”或“不能”)變色，原因是________。

【答案】(1)細胞壁與原生質層之間出現(xiàn)紅色區(qū)域 (2)細胞外到細胞內(nèi) 減弱 滲透作用 (3)不能 原生質層具有選擇透過性，外界溶液中的伊紅不能通過原生質層進入細胞液

【解析】本題是以在觀察洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮的實踐活動為基礎，考查學生對植物細胞的質壁分離和復原實驗的理解和識記能力，深化滲透作用實質，應用相關知識綜合解決問題的能力。甲是未做處理的細胞，乙是發(fā)生質壁分離的細胞，丙是質壁分離復原后的細胞圖像。(1)甲→乙過程中，原生質層與細胞壁發(fā)生分離，細胞壁和細胞膜之間的液體是被染色的細胞外液，判斷細胞發(fā)生質壁分離現(xiàn)象的依據(jù)是細胞壁與原生質層之間出現(xiàn)紅色區(qū)域。(2)在宏觀上，乙→丙是細胞通過滲透作用吸水復原的過程，水分子的運動方向是從溶液濃度低處(細胞外)流向溶液濃度高處(細胞液)。(3)正常情況下，圖6乙中細胞的細胞液不能變色，原因是原生質層具有選擇透過性，外界溶液中的伊紅不能通過原生質層進入細胞液。

四、生物學科實驗課程綜合實踐活動的反思