基于科學探究能力培養的高中生物學教學設計

李金健

［摘 要］在高中生物學實驗教學中，教師應盡可能地將生物學問題與生活情境聯系起來，引導學生針對特定的生物學現象進行探究，使學生在探究過程中獲取知識、掌握方法、提升能力。以“探究植物細胞的吸水和失水”實驗為例，教師創設蔥段“開花”的魔術情境引入新課，提出探究問題“蔥段為什么會‘開花？”，引導學生對問題作出假設并設計實驗進行探究。教師給學生提供黑藻和洋蔥作為實驗材料，引導學生設計對比實驗，探究植物細胞是否能夠發生滲透吸水和失水及發生滲透吸水和失水的條件，使學生在探究過程中掌握科學探究的一般思路和方法，培養科學探究能力。

［關鍵詞］科學探究能力；教學設計；植物細胞；吸水；失水

［中圖分類號］ ? ?G633.91 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）11-0086-04

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）指出：“‘科學探究是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。學生應在探究過程中，逐步增強對自然現象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力；在探究中，樂于并善于團隊合作，勇于創新。”［1］5而評價學生科學探究的能力，主要看學生是否具備觀察能力、發現問題的能力、設計和實施探究方案以及探究結果的分析、交流等能力［1］62。高中生物學教材中的“探究·實踐”欄目涉及的實驗內容，不但有利于學生理解教材知識，而且為培養學生的科學探究能力創造了良好的條件。結合新課標要求，教師在高中生物學實驗教學中應盡可能地將生物學問題與生活情境聯系起來，引導學生針對特定的生物學現象進行探究，使其在探究的過程中收獲知識、掌握科學探究的方法，進而提升科學探究能力。下面以“探究植物細胞的吸水和失水”的實驗為例，探討基于科學探究能力培養的高中生物學教學設計。

一、教學內容

“探究植物細胞的吸水和失水”是人教版高中生物學教材必修1第4章第1節“被動運輸”中的內容。植物細胞有細胞壁，成熟的植物細胞還有中央大液泡，這兩個特點使得植物細胞的吸水和失水現象與動物細胞的吸水和失水現象有明顯的區別。因此，教材對植物細胞的吸水和失水進行了單獨分析：一方面是水的進出，主要是指水經過原生質層進出液泡，這個過程中原生質層不僅僅只是細胞膜，于是引出了原生質層的概念；另一方面由于細胞壁的限制，植物細胞不會因為過度吸水而漲破。這些內容都是“探究植物細胞的吸水和失水”實驗的理論基礎［2］。

相較于動物細胞的吸水和失水，植物細胞的吸水和失水過程更為復雜，且對于該過程中原生質層不僅僅是細胞膜，還包括液泡膜以及兩者之間的細胞質，學生更是理解困難。可以說這部分知識既是重點，也是易混點和難點。

“探究植物細胞的吸水和失水”實驗是一個探究性實驗，目的是通過實驗探究，讓學生進一步學習科學探究的一般方法［2］。部分教師在這節實驗課中，往往先講授植物會發生滲透吸水和失水的理論知識，再讓學生動手做實驗，使得這個探究性實驗變為了驗證性實驗。這是本節實驗課中教師容易出現的一個教學誤區。

如何突破本節課的教學難點？如何在本節實驗課中真正落實學生科學探究能力的培養目標？教師在本節實驗課前應不斷思考這兩個問題。只有將這節實驗課上好了，才能夠讓學生更好地理解被動運輸的概念，并為學生之后生成“細胞膜是一種選擇透過性膜”的觀念做好鋪墊。

二、教學目標

（1）能夠說出滲透作用的原理并運用；

（2）能夠運用材料完成植物細胞的吸水和失水的探究，初步掌握科學探究的一般思路和方法；

（3）能夠根據滲透作用的原理制作一份腌制食品。

三、教學過程

（一）創設蔥段“開花”的魔術情境，引入新課并提出問題

教師利用切開的大小、長度相同的蔥段為學生表演一個“魔術”：把兩根蔥段分別放入盛有等量清水和0.3 g/mL的蔗糖溶液中。片刻后取出蔥段，觀察蔥段的變化。蔥段大致變化過程如圖1所示。提問：這兩根蔥段發生了什么變化？放置在清水中的蔥段為什么會“開花”呢？

設計意圖：創設真實情境，引導學生觀察蔥段的形態變化，然后提出問題引發學生思考，激發學生的學習興趣和求知欲。

（二）引導學生針對問題作出假設

教師通過PPT展示利用物理滲透裝置演示水分子通過半透膜的滲透現象的過程，并提出以下問題：

（1）漏斗內液面上升，是不是水分子只進不出？

（2）如果用紗布代替玻璃紙，結果會如何？

（3）若把清水換成同樣濃度的蔗糖溶液，液面還會升高嗎？

（4）滲透作用所需的條件是什么？

教師在補充有關滲透作用的內容后，將學生帶回“蔥段開花”情境中，進一步提問：根據滲透作用的學習，能否嘗試對切開的蔥段在清水和蔗糖溶液中出現的不同變化的原因提出一個假設呢？學生思考后提出假設：清水中蔥段“開花”的原因可能是植物細胞發生了滲透吸水。

設計意圖：鑒于學生沒有滲透作用的知識儲備從而很難直接提出假設的情況，教師先講解滲透作用的原理及條件，讓學生有足夠的知識基礎去對相應的問題提出假設，進而為下面的實驗設計及探究做好準備。

（三）設計實驗，探究植物細胞的吸水和失水

1.選擇實驗方案

活動1 小組合作討論2分鐘，根據實驗探究的內容，從以下4位同學設計的實驗方案中選擇最好的一個并說出理由。

甲同學：制作2片裝片，分別進行③→④→①和③→④→②

乙同學：制作1片裝片，進行③→①→④→ ②→④

丙同學：制作1片裝片，進行③→②→④→ ①→④

丁同學：制作1片裝片，進行③→④→①→④→②→④

最終學生討論后認為丁同學的實驗方案更合理，即本實驗的實驗方案如圖2所示。

設計意圖：出示四位同學的實驗設計方案讓學生進行討論和選擇，為他們提供一個實驗方案設計的“腳手架”，讓他們了解實驗設計方案雖然有很多種，但是要根據具體實驗目的進行合理選擇。

2.選擇實驗材料

教師首先用PPT展示以下三張有關實驗材料的微觀細胞圖（如圖3）。

接著，教師提出問題：（1）現在有這三種實驗材料可供選擇，為了更好地觀察，我們應該選擇哪一種？為什么？（2）若要探究植物細胞的失水，應該給植物細胞滴加0.3 g/mL的蔗糖溶液還是清水？（3）若要探究植物細胞的吸水，應該給植物細胞滴加0.3 g/mL的蔗糖溶液還是清水？

設計意圖：將微觀細胞以圖片的形式直觀展示出來，幫助學生快速判斷并選擇適合的實驗材料進行觀察，讓學生了解實驗設計中選材的依據及其重要性。

3.預測實驗結果

活動2 閱讀教材第63頁最后一段內容，并思考問題：（1）植物原生質層包括哪幾個部分？（2）若植物細胞失水，失去的水主要來自哪個結構？（3）若失水前的細胞如圖4所示，請你和組員一起討論并預測實驗結果，然后畫出細胞失水后的狀態圖。

學生討論后，畫出了如圖5所示的植物細胞模式圖。畫出圖5甲的學生認為植物細胞失水后，只有液泡會收縮，所以液泡應變小，但細胞膜不會收縮，依然緊貼細胞壁。畫出圖5乙的學生認為細胞失水后，除了液泡會收縮，細胞膜也會收縮。

根據學生畫出的植物細胞模式圖，教師順勢提問：如果認為植物細胞失水后，只有液泡會收縮，應該選擇哪種有顏色的材料進行觀察呢？學生很快想到使用洋蔥外表皮細胞。教師再提問：應該選擇什么材料探究植物細胞膜在細胞失水的過程中是否會收縮呢？學生想到使用黑藻葉片細胞，因為黑藻葉肉細胞有綠色的葉綠體，根據顏色的變化可以判斷細胞膜是否收縮。

設計意圖：學生在預測實驗結果的過程中，根據教材的提示，知道“植物細胞失水時，水主要來自細胞液，所以液泡很可能會收縮”，但是不確定細胞膜是否會收縮，即不確定細胞膜是否也是半透膜，所以畫出了兩種植物細胞模式圖，引發了認知沖突。教師順著這個“沖突”引導學生選擇合適的材料進行實驗，去“實證”到底哪一個模式圖才是正確的。該過程的目的是考查學生能否針對自己提出的假設，選擇合適的材料并預測實驗結果。

（四）進行實驗，分析實驗結果

活動3 小組合作，選擇黑藻葉片或洋蔥外表皮作為實驗材料，探究植物細胞的吸水和失水，并填寫實驗結果記錄表（見表1）。

如圖6所示是兩個小組選用洋蔥外表皮和黑藻葉片作為實驗材料時觀察到的細胞發生質壁分離前后的實驗結果展示。

結合兩組學生展示的實驗結果，教師提問：現在大家認為，植物細胞滲透失水后的預期結果對應哪一個圖呢？

通過觀察兩組學生展示的實驗結果，學生直觀地發現植物細胞失水時液泡會收縮，細胞膜也會收縮，所以一致認為植物細胞滲透失水后的模式圖應為圖5乙。

緊接著，教師繼續讓這兩組學生分別展示加入清水后植物細胞滲透吸水的結果。兩組學生都發現了植物發生滲透吸水后幾乎可以逐漸恢復為原來的樣子。

設計意圖：學生通過實驗直觀地觀察到不同植物細胞的質壁分離及復原的現象，從中認識到植物細胞失水時液泡膜和細胞膜均會收縮，吸水后又會復原；引導學生遇到“矛盾”時，有興趣和動力去“一探究竟”，并在完成實驗后分析實驗結果與預期的實驗結果是否相符，進而為得出正確結論做好鋪墊。

（五）得出實驗結論

根據兩個小組展示的實驗結果，學生不難理解植物細胞滲透失水時，液泡膜和細胞膜均為半透膜，均會收縮，所以植物細胞失水時半透膜其實應該是原生質層，發生滲透吸水時的半透膜也是原生質層。

教師再次提出問題：為什么植物細胞在滲透吸水和失水時其大小基本不變？進而引導學生總結出質壁分離和質壁復原的概念、發生的條件以及引發此現象的外因和內因。

（六）總結提升

1.解釋蔥段為何會在清水中“開花”

教師利用PPT展示圖7并補充相關信息：蔥段管狀葉內表皮細胞無蠟質，隔水性較差；蔥段管狀葉外表皮細胞有蠟質，隔水性較好。然后提問：據此信息，結合本節課所學內容，你們能否解釋蔥段放入清水后出現圖示結果的原因？

設計意圖：引導學生利用從實驗探究中收獲的知識去解釋真實情境中的問題，提高學生知識遷移與運用的能力。

2.了解南寧特色美食“酸嘢”的制作方法

教師拿出自制的“酸嘢”（腌制的酸蘿卜條），并講解腌制過程，讓學生觀察未腌制的蘿卜條和腌制后的蘿卜條的大小，并用手捏一捏，感受兩者硬度的區別，然后提問：為什么腌制后的蘿卜條變短、變軟了？學生能夠很快做出解釋：因為在制作“酸嘢”時加入了鹽、糖、醋等，使外界溶液的濃度大于蘿卜細胞液的濃度，蘿卜細胞發生了滲透失水，所以腌制后的蘿卜條會變短、變軟。最后，教師鼓勵學生回家后給家人制作一份美味可口的“酸嘢”。

設計意圖：將本節內容與當地特色美食的制作聯系起來，讓學生感受到所學教材知識在生活真實情境中的體現，進而學會將知識遷移應用來解決問題，實現學以致用。

（七）完成評價量化表

教師將評價量化表（見表2和表3）發給學生，由學生自評，然后上交，最后由教師進行總體評價。

設計意圖：設計評價量化表，讓學生按照表中每一個步驟進行自評。在實驗操作評價表中列出每個步驟的規范操作，以便于學生檢驗自身每個操作是否符合要求，知道哪些方面還有待提高，在一定程度上能讓學生在評價中獲得成長。

四、教學反思

本節課中首先學習“植物細胞的吸水和失水”，然后學習“動物細胞的吸水和失水”，知識點講解的順序相對于教材有一些調整，這樣調整的目的是把較難的知識點先呈現出來，通過引發認知沖突——植物細胞發生滲透作用時半透膜是否包括細胞膜？引導學生通過運用黑藻葉片和洋蔥外表皮細胞作為實驗材料進行實驗探究，在切實觀察到兩種材料的實驗結果后，分析出植物細胞滲透作用的半透膜應該是“原生質層”，進而解決“沖突”，生成概念，突破教學難點。

在實驗過程中，教師以真實情境“蔥段開花”導入新課，并提出問題：“放置在清水中的蔥段為什么會‘開花呢？”然后教師補充滲透作用的內容，讓學生針對問題提出假設，以及針對假設設計實驗。教師從實驗方案的選擇及選材上逐步引導，再通過學生自主完成實驗并分析實驗結果和預期結果是否相符，進而得出實驗結論，即植物細胞會發生滲透吸水和失水，且半透膜是原生質層。最后，再利用獲得的實驗結論去分析蔥段為什么在清水中會“開花”。在這個過程中，學生是帶著真實情境的問題去完成實驗探究的。通過實驗探究獲取知識比教師直接灌輸給學生更有效、更深刻。同時，在實驗過程中學生逐步掌握了科學探究的一般思路和方法，為將來學習其他探究性實驗做好鋪墊。

整節課下來，學生反饋學習效果比較好，學習興趣濃厚，參與度較高。該內容的教學設計總體符合學生的認知發展規律，讓學生體會到了在“科學探究”中獲取知識并解決問題的樂趣，培養了學生的科學探究能力。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］ ?人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發中心.普通高中教科書生物學教師教學用書：生物學 ? 必修1 ? 分子與細胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［3］ ?張治.基于核心素養的教學評系列：新教學設計 ? 高中生物學 ? 必修 ? 第一冊［M］.北京：北京師范大學出版社，2020.

（責任編輯 黃春香）