立足“五要素”提升科學(xué)探究素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

童小麗　金兵　陳雪　馬甜

關(guān)鍵詞：五要素；科學(xué)探究；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；滲透系統(tǒng)

文章編號：1003-7586（2024）01-0042-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中明確提出了科學(xué)探究是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，并指出科學(xué)探究是指“能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對結(jié)果的交流與討論的能力”。

“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”是人教版高中生物學(xué)教材《必修1.分子與細(xì)胞》第4章第1節(jié)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在日常教學(xué)中，教師更多關(guān)注實(shí)驗(yàn)的基本操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對通過實(shí)驗(yàn)發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的教學(xué)價(jià)值挖掘不夠。本節(jié)課中，教師從“觀察”“提問”“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”“方案實(shí)施”“結(jié)果交流與討論”五個(gè)要素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在完整的科學(xué)探究過程中全面發(fā)展科學(xué)探究的學(xué)科核心素養(yǎng)，并在基于事實(shí)和證據(jù)的背景下幫助學(xué)生建構(gòu)“植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)”的概念。

1利用生活視頻，提升發(fā)現(xiàn)觀察能力

教師結(jié)合教材內(nèi)容，利用延時(shí)攝影技術(shù)拍攝三段視頻：①將萎蔫的葉片放在清水中，不久，菜葉就會變得硬挺；②將白菜剁碎放鹽后，一會兒有水分滲出；③給一株盆栽植物施肥過多，出現(xiàn)“燒苗”現(xiàn)象。在三段視頻播放完畢后，教師再播放菜店老板為蔬菜噴灑清水的視頻。觀看完視頻后，教師邀請學(xué)生談?wù)動^察到的現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：教師在課堂上利用延時(shí)攝影技術(shù)，將生活現(xiàn)象濃縮，能夠讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)體驗(yàn)多種生活現(xiàn)象，增加課堂容量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，教師還可以培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的眼光去看待身邊事物的能力，使學(xué)生學(xué)會對比觀察和聯(lián)系社會。

2采取頭腦風(fēng)暴，提升提問假設(shè)能力

結(jié)合學(xué)生在視頻中觀察到的現(xiàn)象，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組內(nèi)討論、小組間討論，學(xué)生打開思維，各抒己見，提出問題并嘗試做出假設(shè)。

植物為什么會萎蔫呢？萎蔫的葉片放人清水中后，為什么變得硬挺呢？菜店老板給蔬菜噴灑清水是不是為了增加蔬菜斤兩從而提高收入呢？豬肉需不需要噴灑清水？注水豬肉是怎么一回事？為什么白菜剁碎放鹽后會有水分滲出呢？植物細(xì)胞能夠吸水和失水嗎？植物細(xì)胞在什么條件下吸水和失水？植物細(xì)胞是通過什么方式吸水和失水？植物細(xì)胞會一直吸水和失水嗎？植物細(xì)胞失水和吸水的原因是什么？

學(xué)生思考的維度多種多樣，有發(fā)散思維的，有對比思維的，有逆向思考的。學(xué)生提出的問題是多種多樣的，但并不是所有的問題都有探究的價(jià)值或者契合本節(jié)課的教學(xué)主題。此時(shí)，教師緊緊圍繞四個(gè)視頻中的焦點(diǎn)——“植物”“吸水和失水”兩個(gè)關(guān)鍵詞，引導(dǎo)學(xué)生將問題聚焦在“水分進(jìn)出細(xì)胞是通過滲透作用嗎？”“原生質(zhì)層是否相當(dāng)于一層半透膜？”。然后，教師根據(jù)問題引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已經(jīng)學(xué)過的滲透裝置、滲透作用的概念等知識做出假設(shè)：“植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)”“原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜。”

設(shè)計(jì)意圖：教師通過視頻中展示的現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生提出問題，篩選值得探究的科學(xué)問題，并結(jié)合已有知識和教材資料引導(dǎo)學(xué)生對問題做出解釋，進(jìn)而使學(xué)生做出假設(shè)，幫助學(xué)生體驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)象提出問題、做出假設(shè)的科學(xué)研究要素。

3抓住實(shí)驗(yàn)思路，提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力

在學(xué)生做出假設(shè)之后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路往往包括根據(jù)原理進(jìn)行選擇材料、處理材料和檢測材料“三部曲”。此時(shí)，教師可通過問題串的方式幫助學(xué)生選擇、處理、檢測材料。

3.1選擇材料

實(shí)驗(yàn)材料包括實(shí)驗(yàn)用具、觀察材料、實(shí)驗(yàn)試劑。教師提出如下問題：①植物細(xì)胞吸水和失水是微觀過程，需要用什么儀器來觀察？②植物細(xì)胞材料是選擇沒有顏色的還是有顏色的？未成熟的植物細(xì)胞可以嗎？③在洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮、洋蔥鱗片葉外表皮、洋蔥根尖分生區(qū)中選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料，請說出選擇理由。④0.3 g/mL的蔗糖溶液、0.5 g/mL的蔗糖溶液、清水，哪種試劑適合用于實(shí)驗(yàn)來觀察植物細(xì)胞的吸水、失水？

3.2處理材料

在材料處理的問題上，教師可以提出系列問題串，以引導(dǎo)學(xué)生厘清實(shí)驗(yàn)步驟：①用同一組洋蔥鱗片葉作為實(shí)驗(yàn)材料，先觀察細(xì)胞的吸水還是失水？②如何使洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞處于失水狀態(tài)？③如何使失水的洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞吸水？④在觀察洋蔥細(xì)胞的吸水前，是否需要保持洋蔥細(xì)胞的活性？如何保持洋蔥細(xì)胞的活性？

3.3檢測材料

實(shí)驗(yàn)過程中，選擇實(shí)驗(yàn)材料的哪些結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察檢測并進(jìn)行結(jié)果預(yù)測？為幫助學(xué)生解決這一問題，教師可以提出如下問題串：①細(xì)胞吸水與失水可能會導(dǎo)致哪些細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化？②可能會出現(xiàn)什么樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？根據(jù)上述問題及實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表，見表1。

設(shè)計(jì)意圖：生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是基于問題和假設(shè)、解決問題、動手動腦的過程。這一過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)相關(guān)的知識選擇實(shí)驗(yàn)儀器、材料和試劑，擬定實(shí)驗(yàn)步驟，選用實(shí)驗(yàn)方法并預(yù)測結(jié)果。教師引導(dǎo)學(xué)生思考形成實(shí)驗(yàn)方案，能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

4根據(jù)步驟操作，提升方案實(shí)施能力

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出爐以后，教師請學(xué)生分小組根據(jù)既定步驟動手操作，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生通過動手實(shí)驗(yàn)，親身感受到了洋蔥鱗片葉內(nèi)外表皮的區(qū)別，親身體驗(yàn)到了如何畫一個(gè)“井”字撕取洋蔥鱗片葉外表皮，切實(shí)掌握了“引流法”的具體操作，真真切切看到了液泡的變小變大和原生質(zhì)層的皺縮與復(fù)原現(xiàn)象，學(xué)生進(jìn)而逐步建構(gòu)起“植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)”的概念。

設(shè)計(jì)意圖：教師設(shè)計(jì)真實(shí)情境引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，幫助學(xué)生形成概念，提升方案實(shí)施能力。

5基于事實(shí)證據(jù)，提升交流討論能力

教師引導(dǎo)學(xué)生基于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行分析交流和討論，得出結(jié)論。

事實(shí)一：洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞在0.3 g/mL蔗糖溶液中發(fā)生質(zhì)壁分離。

事實(shí)二：已經(jīng)質(zhì)壁分離的洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞在滴加清水后發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原。

教師根據(jù)事實(shí)一和事實(shí)二引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析：在原生質(zhì)層外側(cè)滴入0.3 g/mL蔗糖溶液時(shí)，外界溶液濃度大于細(xì)胞液濃度，原生質(zhì)層收縮，發(fā)生質(zhì)壁分離。在原生質(zhì)層外側(cè)滴入清水時(shí)，外界溶液濃度小于細(xì)胞液濃度，原生質(zhì)層伸展，發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原。

兩個(gè)事實(shí)及分析都支持前面做出的假設(shè)——“原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜。”因此教師引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：“植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)。”

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果（事實(shí)和證據(jù)）得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，提升學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的“結(jié)果交流與討論”能力。

6遷移拓展應(yīng)用，評價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

為有效促進(jìn)教師的教和學(xué)生的學(xué)，在立足“五要素”完成本實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后，教師選取人教版高中生物學(xué)教材《必修1.分子與細(xì)胞》第4章第1節(jié)中“練習(xí)與應(yīng)用——拓展應(yīng)用”第1題及第4章“復(fù)習(xí)與提高——非選擇題”第3題，進(jìn)行遷移拓展應(yīng)用。教師請學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來測定細(xì)胞的細(xì)胞液濃度相當(dāng)于多少質(zhì)量分?jǐn)?shù)的蔗糖溶液，并引導(dǎo)學(xué)生思考分析物質(zhì)的量濃度為2mol/L的乙二醇溶液浸泡植物細(xì)胞時(shí)會引發(fā)的現(xiàn)象。如此一來，教師既檢驗(yàn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，也能夠幫助學(xué)生升華科學(xué)探究素養(yǎng)。

本節(jié)課以“觀察”“提問”“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”“方案實(shí)施”“結(jié)果交流與討論”科學(xué)探究的“五要素”為課堂明線，以認(rèn)識“植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)”為暗線，通過視頻引導(dǎo)、頭腦風(fēng)暴、小組討論、問題串、動手操作、分析交流、評價(jià)反思等形式，使學(xué)生學(xué)習(xí)成為一個(gè)主動探索的過程，讓學(xué)生在不同任務(wù)的探究中逐步建構(gòu)起“植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)”這一概念，體現(xiàn)了學(xué)生在課堂中的主體地位，有利于培養(yǎng)學(xué)生敢想、敢說、敢質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度，有利于幫助學(xué)生掌握正確的科學(xué)探究方法和提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。