運用科研素材培養(yǎng)科學思維的教學設計

段寅佳 唐贇 楊在君 周裕志

摘要 以“其他植物激素”為例，通過對相關科研素材的分析，讓學生逐步掌握赤霉素、細胞分裂素、脫落酸、乙烯等植物激素的生理作用，理解植物激素間的協(xié)同和拮抗等關系，并運用所學知識解決農業(yè)生產問題，從而構建生物學概念，培養(yǎng)科學思維等學科核心素養(yǎng)，實現(xiàn)全面發(fā)展。

關鍵詞高中生物學 植物激素 科研素材 科學思維

中圖分類號 G633.91????????????? 文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，科學思維是高中生物學四大學科核心素養(yǎng)之一，是學生適應未來社會發(fā)展和個人生活的基礎。在高中生物學教學中，充分運用科研素材，讓學生在科研素材的分析中獲取知識，完善生物學知識體系，可較好地實現(xiàn)科學思維的培養(yǎng)。下面以“其他植物激素”為例，介紹科研素材在科學思維培養(yǎng)中的運用。

1 教材分析

“其他植物激素”是人教版《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調節(jié)》第五章第二節(jié)的內容，包含赤霉素、細胞分裂素、脫落酸、乙烯等植物激素的生理作用，以及植物激素間的協(xié)同和拮抗關系等，是構建“舉例說明幾種主要植物激素的作用，這些激素可通過協(xié)同、拮抗等方式共同實現(xiàn)對植物生命活動的調節(jié)”和“舉例說明生長素、細胞分裂素、赤霉素、脫落酸和乙烯等植物激素在生產上得到了廣泛應用”兩個次位概念，最終構建大概念“生命個體的結構與功能相適應，各結構協(xié)調統(tǒng)一共同完成復雜生命活動，并通過一定的調節(jié)機制保持穩(wěn)態(tài)”的基礎。理解植物激素之間的拮抗作用和協(xié)同作用是教學難點。

2 教學目標

（1）明確細胞分裂素、赤霉素、脫落酸和乙烯的主要作用，認同植物的生長發(fā)育受植物體內多種激素共同調節(jié)。

（2）通過科研素材的分析，了解赤霉素的發(fā)現(xiàn)過程，分析植物激素的變化規(guī)律和相互之間的作用關系，形成嚴謹?shù)目茖W思維。

（3）通過理論與實例的結合，關注植物激素在生產生活中的應用，嘗試解決生產實踐問題，樹立社會責任擔當。

3 教學過程

3.1情境創(chuàng)設，問題導入

情境素材：研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯有休眠期，收獲的馬鈴薯度過休眠期后才能萌發(fā)，但大棚種植中，用赤霉素處理馬鈴薯塊莖，能使馬鈴薯提前萌發(fā)、提前上市，增加農業(yè)產值。

情境問題：（1）為什么要用赤霉素處理馬鈴薯塊莖？（2）用赤霉素處理馬鈴薯塊莖說明赤霉素有什么生理作用？（3）赤霉素還有其它生理作用嗎？（4）農業(yè)應用中，除了赤霉素還有其它嗎？

設計意圖：以科研素材“赤霉素處理馬鈴薯塊莖，實現(xiàn)大棚提前種植馬鈴薯”為切入點，讓學生了解生物學知識在農業(yè)生產中的應用，激發(fā)學生學習興趣；促進學生積極思考，訓練科學思維；初步了解赤霉素的生理作用，為進一步掌握赤霉素的生理作用以及細胞分裂素等植物激素的生理作用打基礎。

3.2分析素材，掌握赤霉素

3.2.1赤霉素的發(fā)現(xiàn)史

科研素材：①1926年，科學家觀察到，當水稻感染了赤霉菌后，會出現(xiàn)植株瘋長的現(xiàn)象，病株往往比正常植株高50%以上，并且結實率大大降低，因而稱為惡苗病。②研究者將赤霉菌培養(yǎng)基的濾液噴施到水稻幼苗上，發(fā)現(xiàn)這些幼苗雖然沒有感染赤霉菌，但也出現(xiàn)惡苗病的癥狀。③1935年，科學家從培養(yǎng)基濾液中分離出致使水稻患惡苗病的物質，稱之為赤霉素。④20世紀50年代，科學家從未受赤霉菌感染的植物體內分離出赤霉素，發(fā)現(xiàn)赤霉素在植物中普遍存在，而且知道了植物體內的赤霉素包括許多種。

思考討論：（1）由素材①推測，水稻患惡苗病的直接原因可能是什么？怎樣設計實驗證明？（2）素材②支持水稻惡苗病的病因是什么？（3）素材③和④誰支持赤霉素是植物激素？為什么？（4）素材①-③證明赤霉素具有什么樣的生理作用？（5）為什么在濾液中分離提取出赤霉素的20多年后，才從植物體內分離出赤霉素？由此說明科學探究是一個什么樣的過程？

設計意圖：以發(fā)現(xiàn)赤霉素的科研素材為基礎，在問題串的引導下設計實驗、分析問題，深入了解赤霉素的發(fā)現(xiàn)過程，明確赤霉素的部分生理作用，訓練科學思維能力，知道科學研究是漫長而艱辛的過程。 3.2.2赤霉素的生理功能

科研素材：科研工作者用不同濃度的赤霉素處理棉花種子和葡萄幼果，觀察種子的發(fā)芽情況和葡萄幼果的生長情況，得表1和表2所示數(shù)據(jù)。

思考討論：（1）分析表1數(shù)據(jù)推知赤霉素的生理功能是什么？（2）分析表2數(shù)據(jù)推知赤霉素的生理功能是什么？（3）赤霉素還有什么功能？能否在教材中尋找到答案？

設計意圖：讓學生以科研數(shù)據(jù)為基礎，分析得出赤霉素促進種子萌發(fā)和果實生長的生理作用；以問題驅動獲知赤霉素的其它生理作用，結合前文的導入和“素材分析”，讓學生全面掌握赤霉素的生理作用、訓練邏輯分析等科學思維能力。

3.2.3推測赤霉素分布，概括赤霉素知識

討論問題：（1）赤霉素體現(xiàn)“促進細胞伸長，從而引起植株增高”等生理功能的部位分別是哪里？（2）赤霉素發(fā)揮功能的部位有什么共性特點？（3）能否推測出赤霉素的合成部位并用一句話概括？（4）能否用表格概括赤霉素的相關知識？

設計意圖：讓學生從赤霉素功能部位出發(fā)，總結出赤霉素發(fā)揮功能的部位具有生長旺盛的共性，由此推測赤霉素的合成部位是生長旺盛的幼芽、幼根、幼果和未成熟的種子等；學生通過概括赤霉素知識，形成如表3所示知識表單；培養(yǎng)學生的科學思維和生命觀念等學科核心素養(yǎng)。

3.3分析科研素材，掌握細胞分裂素、乙烯和脫落酸

科研素材：①1948年，研究者發(fā)現(xiàn)一些物質能誘導組織培養(yǎng)中煙草切段的細胞分裂，且能促進芽的形成，后命名為激動素。此后，又發(fā)現(xiàn)了多種天然的和人工合成的具有激動素生理活性的化合物。當前，把從玉米或其他植物中分離或人工合成的具有激動素相同生理活性的化合物，統(tǒng)稱為細胞分裂素。細胞分裂素可用于果樹和蔬菜上，主要用于促進細胞擴大，提高坐果率，延緩葉片衰老。在進行組織培養(yǎng)時，向培養(yǎng)基中加入細胞分裂素會促進細胞的分裂、生長和發(fā)育。細胞分裂素能延遲花和果實的衰老，給切花噴灑細胞分裂素有利于其保鮮。②1864年，法國科學家發(fā)現(xiàn)煤氣燈旁樹木比正常樹木更容易脫落，鑒定出導致脫落的活性物質是乙烯。1901年，俄國科學家發(fā)現(xiàn)豌豆苗呈現(xiàn)出三重反應，莖伸長減少，橫向生長增加，不正常的水平生長。但是如果給豌豆苗通風，豌豆呈現(xiàn)出正常生長。后來在實驗中證明是乙烯發(fā)揮的作用。1910年，科學家發(fā)現(xiàn)發(fā)霉的橘子可以催熟香蕉，大量的青霉菌可以產生乙烯。在葉片脫落過程中，乙烯能促進離層形成。③1961年研究者從成熟棉鈴里分離出一種能使葉柄脫落加速的物質結晶，稱為脫落素Ⅰ。1963年從棉花幼鈴中分離出另一種加速脫落的物質結晶，叫做脫落素Ⅱ。同年從槭樹將要脫落的葉子里分離出一種抑制物質，能使生長中的幼苗和芽休眠，命名為休眠素。1965年，科學家證明休眠素和脫落素Ⅱ是同一物質。1967年在第六屆國際植物生長物質會議上，統(tǒng)一稱為脫落酸（ABA）。

思考討論：（1）科研素材①-③分別呈現(xiàn)了什么植物激素的發(fā)現(xiàn)過程？（2）從激素的發(fā)現(xiàn)過程中，可推測出相應激素的具體功能嗎？（3）你能結合教材，用學習赤霉素的方式，以表3形式總結出細胞分裂素、乙烯和脫落酸的合成部位和主要作用嗎？

設計意圖：以科研素材為基礎，讓學生了解細胞分裂素、乙烯和脫落酸的發(fā)現(xiàn)過程并分析其功能、推測其合成部位；學生能舉例說明幾種主要植物激素的作用，為構建大概念打基礎，訓練科學思維能力。

3.2.4植物激素的協(xié)同作用

科研素材：科研工作者以豌豆為材料，研究生長素（IAA）和赤霉素（GA）對植物節(jié)間伸長的影響，其結果如圖1所示。

思考討論：（1）能用自己的話描述實驗結果嗎？（2）生長素和赤霉素的生理作用具有共性嗎？（3）分析實驗結果能得出什么結論？

設計意圖：以科研素材為基礎，讓學生分析實驗數(shù)據(jù)，明確IAA和GA均具有促進植物生長的作用，但 IAA 的促進效應較 GA 明顯；IAA 和 GA 兩種激素同時存在時，具有明顯的增效作用；學生認同生長素和赤霉素能協(xié)同促進莖段的伸長，理解植物激素的協(xié)同作用，明確概念“植物激素能通過協(xié)同實現(xiàn)對植物生命活動的調節(jié)”；培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究素養(yǎng)以及信息獲取與加工能力。

3.2.5植物激素的拮抗作用

科研素材：某科研人員對白熟期草莓進行不同激素注射處理，每隔一天取樣，探討脫落酸與生長素在草莓果實成熟過程中的相互作用，得表4數(shù)據(jù)。

思考討論：（1） A、B 與 D 對照能得什么結論？（2） C 與A、B、D對照能得什么結論？（3）本實驗證明脫落酸與生長素具有什么關系？

設計意圖：以科研素材為基礎，讓學生分析實驗數(shù)據(jù)，明確脫落酸促進果實成熟、生長素抑制果實成熟，二者可相互抵消對方的作用，理解植物激素的拮抗作用；明確概念“植物激素能通過拮抗實現(xiàn)對植物生命活動的調節(jié)”；培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究素養(yǎng)以及信息獲取與加工能力。

3.2.6植物激素的復雜網絡調控關系

科研素材：植物的生長發(fā)育受多種激素的共同作用，圖2為獼猴桃果實發(fā)育和成熟過程中相關激素的動態(tài)變化。

思考討論：（1）獼猴桃果實發(fā)育和成熟過程中每種激素的含量怎么變化？（2）激素含量達到高峰的時間有什么特點？由此說明植物激素調節(jié)具有什么性？

設計意圖：讓學生通過數(shù)據(jù)分析，認同在植物生長發(fā)育過程中，各種激素的含量都是動態(tài)變化的，不同激素的調節(jié)還往往表現(xiàn)出一定的順序性，多種激素通過協(xié)同與拮抗作用相互影響，形成植物激素調控網，同時訓練邏輯分析等科學思維能力。

3.3解決情境問題，深化概念理解

問題情境：（1）果農為了控制柑橘和葡萄柚的落果，使之在未采摘時不脫落，可以噴灑何種激素？在使用激素時需要注意什么？（2）同一塊地的漿果也會長勢不同，為了使?jié){果便于機械采收，又可以如何處理？

設計意圖：通過問題情境，引導學生關注植物激素在現(xiàn)代農業(yè)中的應用，學生能舉例說明植物激素在生產上得到了廣泛應用，深化概念的理解，助力生物學大概念構建；提高學生分析解決問題的能力，增強學生的社會責任感。

4 教學反思

在“其他植物激素”一節(jié)教學過程中，以科研素材為基礎，引導學生運用科學思維，分析掌握赤霉素、細胞分裂素、脫落酸、乙烯等植物激素單獨的生理作用和分布，理解植物激素的協(xié)同、拮抗關系和網絡調節(jié)，解決生產生活問題。在此過程中，學生構建

了上述兩個次位概念，為學科大概念的構建打下基礎，學生發(fā)展了科學思維等學科核心素養(yǎng)，將有助力學生全面發(fā)展。

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