“植物細胞的吸水與失水”實驗教學探究及反思

宋婷婷 王 妍

(合肥一六八新店花園學校 安徽合肥 230011)

“植物的生長需要水與無機鹽”是蘇教版初中《生物學》七年級上冊中的第五章第三節。本節實驗教學中需通過實驗使學生能觀察到植物根的吸水與失水，并且引導學生理解：當外界溶液濃度大于植物細胞液濃度的時候，植物細胞就會發生失水；當外界溶液濃度小于植物細胞液濃度的時候，植物細胞就會發生吸水。在實際的生物課堂實驗教學中存在一個明顯的難點：學生可以利用白蘿卜根、蔗糖溶液、清水等進行實驗，但是用普通的直尺難以精確地測量出實驗前后的蘿卜條的長度變化，于是學生只能對實驗結果進行定性的描述，例如蘿卜條好像變軟了、蘿卜條好像變硬了等。于是筆者創新地使用了更加精確的測量和稱量工具，使實驗結果從定性描述走向精確的定量描述，讓實驗結果更加科學。在實際的實驗教學中，教師經常使用的實驗材料有蘿卜的根、白菜幼苗等，而筆者引導學生嘗試了更多的實驗材料進行實驗探究，通過實驗發現植物各器官在高濃度溶液中都會發生失水現象，在低濃度溶液中都會發生吸水現象。多種實驗材料的嘗試探究能幫助學生深入理解植物細胞吸水與失水的原理。《義務教育生物學課程標準》的課程基本理念要求提高生物科學素養與倡導探究性學習，探究性實驗是倡導探究性學習、發展學生探究能力和提高生物科學素養的良好載體。

一、提出問題

筆者在與學生共同對此實驗進行探討的過程中，學生們提出了一些問題：蘿卜條浸泡前后長度變化特別小，直尺無法精確測出蘿卜條浸泡前后的長度變化怎么辦？蘿卜根細胞液的濃度是多少呢？除了植物的根，植物其他器官也能發生吸水或者失水嗎？通過顯微鏡能否觀察到植物細胞的吸水與失水、如何能拍攝到植物細胞吸水與失水的照片和視頻呢？

二、設計思路

為了解決以上學生提出的問題，并達成本節的實驗教學目標，本實驗教學設計思路如下：教師引導學生進行宏觀探究的分組實驗、收集數據、驗證假設并得出結論；再從宏觀到微觀，利用顯微鏡進行微觀探秘。于是筆者引導學生進行了如下的實驗教學探索。

三、教學過程

(一)宏觀探究

探究1：蘿卜條浸泡前后長度變化特別小，直尺無法測出蘿卜條浸泡前后的長度變化怎么辦？

筆者引導學生利用白蘿卜根、自制打孔器、各濃度梯度的蔗糖溶液(0.1 g/ml、0.2 g/ml、0.3 g/ml、0.4 g/ml)、清水、小燒杯、量筒等材料進行分組探究實驗，通過觀察學生能明顯感知蘿卜根的軟硬變化，但是用直尺測量蘿卜條的長度變化無法精確地測量。于是放棄直尺，而是選擇了可讀數游標卡尺(可精確到0.01 mm)作為測量工具，測量了蘿卜條浸泡前后的長度變化和直徑變化。由于實驗數據特別多，筆者將浸泡后的蘿卜條長度減去浸泡前的蘿卜條長度得到它們的差值，直接看浸泡前后蘿卜條長度的差值更能直觀地呈現實驗結果，并且將實驗數據還嘗試處理成折線圖，使實驗數據能通過多種方式直觀呈現。

表1 不同濃度蔗糖溶液浸泡蘿卜條前后長度變化

表2 不同濃度蔗糖溶液浸泡蘿卜條前后直徑變化

探究2：蘿卜根細胞液的濃度是多少？

學生在分組探究實驗過程中集思廣益，又提出了新問題：蘿卜根細胞液的濃度是多少？通過師生交流、討論，筆者指導學生可以在前面實驗的基礎上在蒸餾水和0.1 g/ml蔗糖溶液之間設置更小的濃度梯度(0.02 g/ml、0.04 g/ml、0.06 g/ml、0.08 g/ml)進一步進行實驗，記錄實驗數據，同時提醒學生注意控制變量與重復實驗，以保證實驗的科學性。對浸泡前后蘿卜條長度差值、浸泡前后蘿卜條直徑差值中的數據進行分析，可以直觀地得出蘿卜根細胞液的濃度更精確的范圍是0.08 g/ml～0.1 g/ml。雖然此實驗并沒有測出蘿卜根細胞液的濃度，但是進一步精確了蘿卜根細胞液的濃度范圍，對于學生來說是一次非常有意思的實驗探索。

表3 不同濃度蔗糖溶液浸泡蘿卜條前后長度變化

表4 不同濃度蔗糖溶液浸泡蘿卜條前后直徑變化

探究3：除了植物的根，植物其他器官也能發生吸水或者失水嗎？

在實驗中，學生的思維是非常活躍的，他們又提出了以上新的問題：除了植物的根，植物其他器官也能發生吸水或者失水嗎？于是教師引導學生選擇不同的植物器官分組進行探究實驗，通過討論與反復嘗試，學生最終選擇的實驗材料是：土豆植株的莖、綠蘿植株的葉、百合植株的花、蘋果植株的果實、大豆植株的種子。全班分成了五個實驗小組，在學生分組實驗中筆者也反復提醒學生注意控制變量與重復實驗，例如稱量材料的質量前后必須吸干材料表面的水分，防止實驗數據出現過大誤差，以保證實驗結果的科學性。在測量數據時，土豆的莖與蘋果的果實采取的方式是打孔器打孔后，利用可讀數游標卡尺測量長度的變化。而綠蘿的葉、百合的花和大豆的種子不方便測量長度，用電子天平(可精確到0.001 g)稱量質量的變化。學生記錄實驗數據，并同樣用浸泡后的長度或者質量減去浸泡前的長度或者質量得到差值,例如土豆莖浸泡前后長度變化和綠蘿葉浸泡前后質量變化。通過分析以上實驗數據，學生發現在蒸餾水中，植物各器官都會發生吸水現象，在高濃度溶液中植物各器官都會發生失水現象。而不同植物器官浸泡在各濃度梯度蔗糖溶液中發生吸水或者失水所測數據的差異，應當與各植物器官細胞液的濃度差異有關。

表5 土豆莖浸泡前后長度變化

表6 綠蘿葉浸泡前后質量變化

(二)微觀探秘

通過宏觀探究部分的三個層層遞進的實驗，學生發現在低濃度溶液中植物的各器官都會吸水，在高濃度溶液中植物的各器官都會失水。植物的組成是具有層次性的，構成植物最小的、最基本的層次是細胞，也就是說植物細胞是植物體結構與功能的基本單位。植物各器官的吸水與失水應當與植物細胞的吸水和失水有關，但是植物細胞是肉眼不可見的，是非常微觀的。學生于是提出了新的問題：通過顯微鏡能否觀察到植物細胞的吸水與失水呢？如何能拍攝到植物細胞吸水與失水的照片和視頻呢？師生通過討論與嘗試棄用了普通光學顯微鏡，而是選擇了更便捷的數碼顯微鏡，還有紫色洋蔥外表皮，蒸餾水，0.1 g/ml、0.2 g/ml、0.3 g/ml、0.4 g/ml的蔗糖溶液，小燒杯，滴管，載玻片，蓋玻片等材料進行了微觀探秘。通過數碼顯微鏡與電腦相連接可以直接用電腦操作實時拍攝視頻或者圖片。學生制作了臨時玻片標本后放置在數碼顯微鏡下觀察，發現分別用0.1 g/ml、0.2 g/ml、0.3 g/ml、0.4 g/ml的蔗糖溶液引流后，紫色洋蔥外表皮細胞都出現了失水現象并且都拍攝了視頻和圖片。通過本次微觀探秘，學生嘗試使用了數碼顯微鏡，并且成功觀察到了在高濃度溶液中植物細胞發生的失水現象和在低濃度溶液中發生的吸水現象。在師生的共同努力下，實驗探索從宏觀探究部分成功延伸到了微觀探秘部分，學生也獲得了較多珍貴的視頻和圖片資料。

四、實驗改進與創新

(一)實驗儀器的選擇創新

宏觀探究實驗選擇了精確度更高的可讀數游標卡尺(可精確到0.01 mm)和電子天平(可精確到0.001 g)代替普通直尺和普通天平進行測量和稱量，提高了實驗結果的可信度和科學性。在微觀探秘中選擇了數碼顯微鏡代替普通光學顯微鏡，可以連接電腦拍攝視頻和圖片，實驗結果的呈現更加直觀，也可以通過計時使實驗結果表述由定性改為定量，實驗更加科學與直觀。在建構模型中，創造性地使用了3D打印筆，打印出了模擬細胞壁的模型。

(二)實驗材料的選擇創新

宏觀探究實驗中創新性地選擇了土豆的莖、綠蘿的葉、百合的花、蘋果果實、大豆種子等植物的器官進行了探究實驗，而不再局限于書本中提到的植物的幼苗和教師常用的蘿卜的根。這就拓寬了學生的視野，加深了學生對植物細胞吸水原理的理解。

(三)實驗數據的處理創新

宏觀探究實驗中有大量的實驗數據，筆者引導學生對實驗數據進行了處理，得出用各濃度梯度蔗糖溶液浸泡前后數據的差值，使得實驗結果的呈現更加直觀，有利于學生分析實驗結果和得出實驗結論。筆者還引導學生嘗試將實驗數據制作成折線圖，學生實現了用文字、圖表等多種方式來表述實驗結果。

五、教學反思

本實驗教學探索創新性地使用了精確度更高、更直觀的實驗儀器，拓展了可選擇的實驗材料，大膽地嘗試了建構模型，引導學生自己動手設計、參與實驗，培養了學生的科學探究思維方式，發展了學生的科學探究能力。學生從宏觀探究、微觀探秘、建構模型多角度體驗了實驗探索的樂趣。但是，在建構植物細胞吸水模型的時候，筆者和學生嘗試用橡皮筋密封玻璃紙模擬原生質層，原生質層是有一定彈性的，而玻璃紙的彈性非常小，因此制作好的模型無法觀察到吸水導致原生質層變大的現象，而是通過插入玻璃管來代替，玻璃管內液面上升了，說明發生了吸水現象。