立足“五要素”提升科學探究素養的實驗教學

童小麗　金兵　陳雪　馬甜

關鍵詞：五要素；科學探究；實驗教學；滲透系統

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

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確提出了科學探究是生物學學科核心素養之一，并指出科學探究是指“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”。

“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.分子與細胞》第4章第1節的實驗內容。在日常教學中，教師更多關注實驗的基本操作和實驗現象，對通過實驗發展學生科學探究素養的教學價值挖掘不夠。本節課中，教師從“觀察”“提問”“實驗設計”“方案實施”“結果交流與討論”五個要素進行實驗教學，引導學生在完整的科學探究過程中全面發展科學探究的學科核心素養，并在基于事實和證據的背景下幫助學生建構“植物細胞是一個滲透系統”的概念。

1利用生活視頻，提升發現觀察能力

教師結合教材內容，利用延時攝影技術拍攝三段視頻：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“燒苗”現象。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，教師邀請學生談談觀察到的現象。

設計意圖：教師在課堂上利用延時攝影技術，將生活現象濃縮，能夠讓學生在短時間內體驗多種生活現象，增加課堂容量，激發學生的學習興趣。同時，教師還可以培養學生用科學的眼光去看待身邊事物的能力，使學生學會對比觀察和聯系社會。

2采取頭腦風暴，提升提問假設能力

結合學生在視頻中觀察到的現象，教師引導學生進行小組內討論、小組間討論，學生打開思維，各抒己見，提出問題并嘗試做出假設。

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？植物細胞能夠吸水和失水嗎？植物細胞在什么條件下吸水和失水？植物細胞是通過什么方式吸水和失水？植物細胞會一直吸水和失水嗎？植物細胞失水和吸水的原因是什么？

學生思考的維度多種多樣，有發散思維的，有對比思維的，有逆向思考的。學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值或者契合本節課的教學主題。此時，教師緊緊圍繞四個視頻中的焦點——“植物”“吸水和失水”兩個關鍵詞，引導學生將問題聚焦在“水分進出細胞是通過滲透作用嗎？”“原生質層是否相當于一層半透膜？”。然后，教師根據問題引導學生結合已經學過的滲透裝置、滲透作用的概念等知識做出假設：“植物細胞是一個滲透系統”“原生質層相當于一層半透膜。”

設計意圖：教師通過視頻中展示的現象引導學生提出問題，篩選值得探究的科學問題，并結合已有知識和教材資料引導學生對問題做出解釋，進而使學生做出假設，幫助學生體驗根據現象提出問題、做出假設的科學研究要素。

3抓住實驗思路，提升實驗設計能力

在學生做出假設之后，教師需要引導學生進行實驗設計。實驗設計的思路往往包括根據原理進行選擇材料、處理材料和檢測材料“三部曲”。此時，教師可通過問題串的方式幫助學生選擇、處理、檢測材料。

3.1選擇材料

實驗材料包括實驗用具、觀察材料、實驗試劑。教師提出如下問題：①植物細胞吸水和失水是微觀過程，需要用什么儀器來觀察？②植物細胞材料是選擇沒有顏色的還是有顏色的？未成熟的植物細胞可以嗎？③在洋蔥鱗片葉內表皮、洋蔥鱗片葉外表皮、洋蔥根尖分生區中選擇合適的實驗材料，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驗來觀察植物細胞的吸水、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，以引導學生厘清實驗步驟：①用同一組洋蔥鱗片葉作為實驗材料，先觀察細胞的吸水還是失水？②如何使洋蔥鱗片葉表皮細胞處于失水狀態？③如何使失水的洋蔥鱗片葉表皮細胞吸水？④在觀察洋蔥細胞的吸水前，是否需要保持洋蔥細胞的活性？如何保持洋蔥細胞的活性？

3.3檢測材料

實驗過程中，選擇實驗材料的哪些結構進行觀察檢測并進行結果預測？為幫助學生解決這一問題，教師可以提出如下問題串：①細胞吸水與失水可能會導致哪些細胞結構變化？②可能會出現什么樣的實驗結果？根據上述問題及實驗，設計實驗結果記錄表，見表1。

設計意圖：生物學實驗設計是基于問題和假設、解決問題、動手動腦的過程。這一過程中，教師引導學生根據相關的知識選擇實驗儀器、材料和試劑，擬定實驗步驟，選用實驗方法并預測結果。教師引導學生思考形成實驗方案，能夠幫助學生進一步提升實驗設計能力。

4根據步驟操作，提升方案實施能力

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”實驗設計出爐以后，教師請學生分小組根據既定步驟動手操作，記錄實驗結果。學生通過動手實驗，親身感受到了洋蔥鱗片葉內外表皮的區別，親身體驗到了如何畫一個“井”字撕取洋蔥鱗片葉外表皮，切實掌握了“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層的皺縮與復原現象，學生進而逐步建構起“植物細胞是一個滲透系統”的概念。

設計意圖：教師設計真實情境引導學生進行實驗操作，幫助學生形成概念，提升方案實施能力。

5基于事實證據，提升交流討論能力

教師引導學生基于兩個實驗事實進行分析交流和討論，得出結論。

事實一：洋蔥鱗片葉外表皮細胞在0.3 g/mL蔗糖溶液中發生質壁分離。

事實二：已經質壁分離的洋蔥鱗片葉外表皮細胞在滴加清水后發生質壁分離復原。

教師根據事實一和事實二引導學生進行分析：在原生質層外側滴入0.3 g/mL蔗糖溶液時，外界溶液濃度大于細胞液濃度，原生質層收縮，發生質壁分離。在原生質層外側滴入清水時，外界溶液濃度小于細胞液濃度，原生質層伸展，發生質壁分離復原。

兩個事實及分析都支持前面做出的假設——“原生質層相當于一層半透膜。”因此教師引導學生得出結論：“植物細胞是一個滲透系統。”

設計意圖：教師引導學生通過分析實驗結果（事實和證據）得出結論，培養學生科學探究的嚴謹態度，提升學生科學探究素養的“結果交流與討論”能力。

6遷移拓展應用，評價實驗教學效果

為有效促進教師的教和學生的學，在立足“五要素”完成本實驗教學之后，教師選取人教版高中生物學教材《必修1.分子與細胞》第4章第1節中“練習與應用——拓展應用”第1題及第4章“復習與提高——非選擇題”第3題，進行遷移拓展應用。教師請學生設計實驗來測定細胞的細胞液濃度相當于多少質量分數的蔗糖溶液，并引導學生思考分析物質的量濃度為2mol/L的乙二醇溶液浸泡植物細胞時會引發的現象。如此一來，教師既檢驗了學生的學習效果，也能夠幫助學生升華科學探究素養。

本節課以“觀察”“提問”“實驗設計”“方案實施”“結果交流與討論”科學探究的“五要素”為課堂明線，以認識“植物細胞是一個滲透系統”為暗線，通過視頻引導、頭腦風暴、小組討論、問題串、動手操作、分析交流、評價反思等形式，使學生學習成為一個主動探索的過程，讓學生在不同任務的探究中逐步建構起“植物細胞是一個滲透系統”這一概念，體現了學生在課堂中的主體地位，有利于培養學生敢想、敢說、敢質疑的科學態度，有利于幫助學生掌握正確的科學探究方法和提升學生的科學探究素養。