STEM教育視角下的實驗改進
——以“探究植物細胞的吸水和失水”實驗改進為例

甘肅省高臺縣第一中學(734300) 羅福海

STEM教育是基于真實問題情景，促進學生進行深度學習、探究學習的跨學科教育，有助于培養學生的生物學學科核心素養?！疤骄恐参锛毎奈褪笔潜匦?新教材第4章“細胞的物質輸入和輸出”中的一個重要探究實驗，涵蓋了滲透吸水、失水原理等重要知識點，是中學生物教學的一個重難點。此實驗中的原理、實驗設計、裝置改進和數據分析是開發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勢。該項目融入STEM教育理念的教學目標分析見表1。

表1 “探究植物細胞的吸水和失水”STEM教學目標

1 合理取材(E)，有效建立工程意識

1.1 實驗材料與儀器

本實驗用到的材料為馬鈴薯，其他材料如蘿卜、梨、菜瓜等也可以。在實驗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個細口瓶、刀片、1個100 mL燒杯以及若干個50 mL燒杯、牙簽、玻璃棒、毛細吸管，其中毛細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 強化建模(M)，綜合設計實驗裝置

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，將其塞入細口瓶當中，檢查氣密性。若出現漏氣情況，繼續滴加膠水進行密封，當整個裝置不再出現漏氣情況時，便制得了本次實驗的簡易裝置(見圖1)。依次制作5套這樣的簡易裝置備用。

3 妙用技術(T)，在實驗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，將其標記為1號溶液；繼續將清水注入到之前的100 mL燒杯中，使得溶液達到刻度線標準，攪拌均勻后倒出50 mL左右的溶液置入50 mL的燒杯中，將其標記為2號溶液。依此方法繼續得到3～8號溶液備用。

3.2 等滲溶液的篩選

在圖1所示的簡易裝置中置入4號溶液，把馬鈴薯條固定到牙簽上浸入到液體中，蓋緊。實驗進行5～10 min后，對紅墨水的指示液柱進行觀察：若指示液柱上移，證明細胞失水，表明外界溶液的濃度高于細胞液濃度，應使用較低濃度溶液，即5號與6號溶液。若指示液柱出現下移情況，則應使用較高濃度的溶液，即2號與3號溶液。當指示液柱位置沒有發生太大變化時，則證明此溶液為等滲溶液。在本次實驗中，由于使用材料的差異和人為制定溶液的原因，會出現液體濃度不一的狀況，也有可能在實驗的8種液體中未出現等滲溶液，這時就需要在實驗溶液中繼續稀釋，尋找和篩選等滲溶液。將滿足實驗條件的等滲溶液標記為丙，濃度最高的溶液標記為甲，甲至丙之間的溶液標記為乙，小于丙溶液濃度的液體標記為丁，清水為戊，進行實驗。

4 明確主旨(S)，實驗改進指向教學內涵

教材中本實驗是通過在低倍顯微鏡下觀察洋蔥鱗片葉外表皮細胞在清水和蔗糖溶液中的液泡大小、原生質層的位置來進行細胞吸水和失水狀態的判斷。改進后整個實驗過程中不需要顯微鏡來觀察，而是通過肉眼觀察液滴移動就可以判斷，大大簡化了實驗，更直觀地展現了植物吸水和失水的動態過程。同時改進后的實驗通過對等滲溶液的篩選，讓學生從實質上理解植物細胞吸水和失水的原理。

4.1 演示實驗

將制得的5套相同簡易裝置準備好，在5套裝置中分別置入甲至戊5種溶液，蓋緊，標記液滴起始位置，對紅墨水的指示液柱進行觀察。在實驗進行了5～10 min后，觀察液滴的移動情況，并用手觸摸辨別馬鈴薯條的差異。

4.2 實驗現象

根據上述實驗操作，觀察到實驗結果如圖2所示，不同溶液中液滴移動情況及馬鈴薯條的變化見表1。

圖2 細胞吸水和失水時的液滴移動情況

編號指示液柱移動方向指示液柱移動幅度馬鈴薯條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 實驗結論

通過實驗現象可知：植物細胞存在吸水和失水兩種狀態；吸水和失水是動態變化的，其速度的快慢由細胞液和外界溶液的濃度差的大小來決定。當外界溶液的濃度大于細胞液濃度時，植物細胞失水，當外界溶液的濃度小于細胞液濃度時，植物細胞吸水，當外界溶液的濃度等于細胞液濃度時，植物細胞達到滲透平衡。

5 學習反思，多元評價提升素養

本次實驗可以從對項目和對學生兩個方面進行評價。通過反思，自我提升，促進學生的全面發展。相關評價內容及指標見表2。

表2 實驗評價指標

本實驗從學生項目化探究活動出發進行了實驗改進。通過多學科知識融合改進實驗的呈現方式，增加學科的教學內涵，促進學生高階思維和創新能力發展，為提升學科核心素養找到了有效“固著點”。當然本實驗還可以通過橫向比較不同實驗材料的吸水、失水情況，如分組比較馬鈴薯、蘿卜、菜瓜在上述溶液中發生滲透現象時液柱的移動幅度、最終的形狀、手感等，找到最適合的材料，進一步提升實驗探究和選材的工程素養。