STEM教育視角下的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)
——以“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為例

甘肅省高臺(tái)縣第一中學(xué)(734300) 羅福海

STEM教育是基于真實(shí)問題情景，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)的跨學(xué)科教育，有助于培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”是必修1新教材第4章“細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出”中的一個(gè)重要探究實(shí)驗(yàn)，涵蓋了滲透吸水、失水原理等重要知識(shí)點(diǎn)，是中學(xué)生物教學(xué)的一個(gè)重難點(diǎn)。此實(shí)驗(yàn)中的原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、裝置改進(jìn)和數(shù)據(jù)分析是開發(fā)STEM研究型課程的良好素材，具備與STEM教育理念無縫融合的優(yōu)勢。該項(xiàng)目融入STEM教育理念的教學(xué)目標(biāo)分析見表1。

表1 “探究植物細(xì)胞的吸水和失水”STEM教學(xué)目標(biāo)

1 合理取材(E)，有效建立工程意識(shí)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

本實(shí)驗(yàn)用到的材料為馬鈴薯，其他材料如蘿卜、梨、菜瓜等也可以。在實(shí)驗(yàn)過程中用到的試劑和儀器包含膠水、蔗糖、紅墨水、橡皮塞、清水、打孔器、5個(gè)細(xì)口瓶、刀片、1個(gè)100 mL燒杯以及若干個(gè)50 mL燒杯、牙簽、玻璃棒、毛細(xì)吸管，其中毛細(xì)吸管可用空圓珠筆芯或吸管等替代。

1.2 材料的分割

用刀片將馬鈴薯進(jìn)行切割，得到寬為試管半徑一半左右、長為試管高度1/3～2/3的馬鈴薯長條。將馬鈴薯長條置入下文配置的溶液中使用。

2 強(qiáng)化建模(M)，綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 簡易裝置

在橡皮塞大約中間的位置使用打孔器打孔，把毛細(xì)吸管插入孔中，至橡皮塞下方露出大約0.5 cm的距離為宜。毛細(xì)吸管的四周使用膠水密封，將少量紅墨水注入位于橡皮塞上方的毛細(xì)吸管中，作為指示液柱。在橡皮塞下方插入能固定馬鈴薯長條的牙簽，將其塞入細(xì)口瓶當(dāng)中，檢查氣密性。若出現(xiàn)漏氣情況，繼續(xù)滴加膠水進(jìn)行密封，當(dāng)整個(gè)裝置不再出現(xiàn)漏氣情況時(shí)，便制得了本次實(shí)驗(yàn)的簡易裝置(見圖1)。依次制作5套這樣的簡易裝置備用。

3 妙用技術(shù)(T)，在實(shí)驗(yàn)中充分詮釋生理意義

3.1 溶液的配制

在容量為100 mL燒杯中置入50 g左右的蔗糖，然后加清水至燒杯刻度線，使用玻璃棒進(jìn)行攪拌。在50 mL燒杯中置入上述制備好的溶液50 mL左右，將其標(biāo)記為1號(hào)溶液；繼續(xù)將清水注入到之前的100 mL燒杯中，使得溶液達(dá)到刻度線標(biāo)準(zhǔn)，攪拌均勻后倒出50 mL左右的溶液置入50 mL的燒杯中，將其標(biāo)記為2號(hào)溶液。依此方法繼續(xù)得到3～8號(hào)溶液備用。

3.2 等滲溶液的篩選

在圖1所示的簡易裝置中置入4號(hào)溶液，把馬鈴薯?xiàng)l固定到牙簽上浸入到液體中，蓋緊。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5～10 min后，對紅墨水的指示液柱進(jìn)行觀察：若指示液柱上移，證明細(xì)胞失水，表明外界溶液的濃度高于細(xì)胞液濃度，應(yīng)使用較低濃度溶液，即5號(hào)與6號(hào)溶液。若指示液柱出現(xiàn)下移情況，則應(yīng)使用較高濃度的溶液，即2號(hào)與3號(hào)溶液。當(dāng)指示液柱位置沒有發(fā)生太大變化時(shí)，則證明此溶液為等滲溶液。在本次實(shí)驗(yàn)中，由于使用材料的差異和人為制定溶液的原因，會(huì)出現(xiàn)液體濃度不一的狀況，也有可能在實(shí)驗(yàn)的8種液體中未出現(xiàn)等滲溶液，這時(shí)就需要在實(shí)驗(yàn)溶液中繼續(xù)稀釋，尋找和篩選等滲溶液。將滿足實(shí)驗(yàn)條件的等滲溶液標(biāo)記為丙，濃度最高的溶液標(biāo)記為甲，甲至丙之間的溶液標(biāo)記為乙，小于丙溶液濃度的液體標(biāo)記為丁，清水為戊，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 明確主旨(S)，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)指向教學(xué)內(nèi)涵

教材中本實(shí)驗(yàn)是通過在低倍顯微鏡下觀察洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞在清水和蔗糖溶液中的液泡大小、原生質(zhì)層的位置來進(jìn)行細(xì)胞吸水和失水狀態(tài)的判斷。改進(jìn)后整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中不需要顯微鏡來觀察，而是通過肉眼觀察液滴移動(dòng)就可以判斷，大大簡化了實(shí)驗(yàn)，更直觀地展現(xiàn)了植物吸水和失水的動(dòng)態(tài)過程。同時(shí)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)通過對等滲溶液的篩選，讓學(xué)生從實(shí)質(zhì)上理解植物細(xì)胞吸水和失水的原理。

4.1 演示實(shí)驗(yàn)

將制得的5套相同簡易裝置準(zhǔn)備好，在5套裝置中分別置入甲至戊5種溶液，蓋緊，標(biāo)記液滴起始位置，對紅墨水的指示液柱進(jìn)行觀察。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了5～10 min后，觀察液滴的移動(dòng)情況，并用手觸摸辨別馬鈴薯?xiàng)l的差異。

4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)操作，觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，不同溶液中液滴移動(dòng)情況及馬鈴薯?xiàng)l的變化見表1。

圖2 細(xì)胞吸水和失水時(shí)的液滴移動(dòng)情況

編號(hào)指示液柱移動(dòng)方向指示液柱移動(dòng)幅度馬鈴薯?xiàng)l形狀用手膜感覺差異甲上大彎曲軟乙上較大彎曲較軟丙不動(dòng)無不變形無變化丁下較大挺直較硬戊下大挺直較硬

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知：植物細(xì)胞存在吸水和失水兩種狀態(tài)；吸水和失水是動(dòng)態(tài)變化的，其速度的快慢由細(xì)胞液和外界溶液的濃度差的大小來決定。當(dāng)外界溶液的濃度大于細(xì)胞液濃度時(shí)，植物細(xì)胞失水，當(dāng)外界溶液的濃度小于細(xì)胞液濃度時(shí)，植物細(xì)胞吸水，當(dāng)外界溶液的濃度等于細(xì)胞液濃度時(shí)，植物細(xì)胞達(dá)到滲透平衡。

5 學(xué)習(xí)反思，多元評價(jià)提升素養(yǎng)

本次實(shí)驗(yàn)可以從對項(xiàng)目和對學(xué)生兩個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)。通過反思，自我提升，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。相關(guān)評價(jià)內(nèi)容及指標(biāo)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)從學(xué)生項(xiàng)目化探究活動(dòng)出發(fā)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。通過多學(xué)科知識(shí)融合改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)方式，增加學(xué)科的教學(xué)內(nèi)涵，促進(jìn)學(xué)生高階思維和創(chuàng)新能力發(fā)展，為提升學(xué)科核心素養(yǎng)找到了有效“固著點(diǎn)”。當(dāng)然本實(shí)驗(yàn)還可以通過橫向比較不同實(shí)驗(yàn)材料的吸水、失水情況，如分組比較馬鈴薯、蘿卜、菜瓜在上述溶液中發(fā)生滲透現(xiàn)象時(shí)液柱的移動(dòng)幅度、最終的形狀、手感等，找到最適合的材料，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)探究和選材的工程素養(yǎng)。