“植物对水分的吸收和利用”一节的教学新尝试

黄玉阳

【摘 要】本节教学中，以设计一系列与生活和生物相关的实验为前提，预设相关学科问题，引导学生收集相关资料，运用各个相关学科知识分析和讨论实验现象，总结实验结果。让学生学会初步实施实验、分析实验，学会学科交叉分析生命运动及社会历史相关现象。

【关键词】学科思维  渗透运动  分子扩散  降雨量

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2015）12B-0059-02

从事多年的生物教学工作中，笔者注意总结科学发展史，生物学中每个伟大成就的发现，特别近代史上的科学发现，无不体现出多学科思想结合的结果，特别是数学，物理，化学等学科的综合思想。一般来说，以数学作为通用工具，以物理和化学作为实验手段来分析生命现象。同时，在教学中，笔者有机会接触一些发达国家的老师和学生，发现他们跨学科思维比较活跃。在交谈和收集的资料中发现他们的教材和自然科学的教育方式跟我们有较大的差异。以美国为例，在基础教育的七、八、九年级，他们的物理、生物、化学合为一本书，一般叫科学，他们的科学老师往往可以同时上物理、生物、化学。还有美国的SAT教材（美国的大学考试教材）也是这三个科合在一起的。这样的教材和上课形式把各个学科的思维综合在一起统一到自然科学中，因此理科思维的综合能力比较强，能站在比较高的思维高度来看待生物的运动规律，容易发现生物问题，引起新的科学发现。

相比之下，我国现在一般各科教材分开，各科老师也各自强调学生对自己学科的学习，而且各科之间存在时间的竞争。我们比较少关注各学科之间的有机联系，即各学科之间的相互作用和互相影响的关系，以及各学科综合思维对学生科研思维发展的良好作用。

为此笔者利用这节课，设计一系列实验，引导学生运用多学科综合思维分析生物的一个基本运动—— 水分在细胞内外的运动的方式和特点，让学生初步进行跨学科思维。

一、教材分析及教学设计

高中生物人教版教材必修本第一册第三章中的“植物对水分的吸收和利用”，包括水分的吸收、运输、散失等理论以及水农业生产应用规律和水在社会发展中的影响等。本节内容是在学习“植物光合作用”后进行的，因为植物光合作用需要水作为原料，与进一步学习水分的代谢相关内容有关，同时，水分代谢又是下一节“植物矿质元素代谢”的知识基础。

本节教材连接初中植物学知识。植物的营养器官根是吸收水的主要器官，学习根尖的结构，导出学习水分进出细胞的主要方式—— 渗透作用（渗透运动），随后指出植物细胞是一个渗透系统。接着讲水的运输及运输的原因，水的蒸腾作用及蒸腾对植物生长的必要性。最后论述理论在生产上的应用和意义。

本节课以探究实验作为线索贯穿整个教学过程。课前布置学生预习相关实验内容，并且分为若干实验组，以组作为单位实验、研究、讨论。

教材实验有：（1）参透作用演示实验;（2）细胞质壁分离和复原实验。根据教学内容的需要，笔者增设了几个小实验：（1）萝卜条浸泡在清水和30%蔗糖溶液中的对比实验;（2）观察鸡血正常红细胞和浸泡在清水中的对比实验;（3）课外实验，每组找两颗小植物，分别浇清水和海水的对比实验。

首先让学生完成实验，记录实验现象，并尽可能提出相关问题。老师发放实验现象预设的各个问题。学生以组为单位思考、研究、讨论，总结结论，或寻找各种相关信息资源，比如可在网上搜索资料解决老师预设问题或自己所提的问题。

然后在课堂上先找出实验中出现的各种错误的现象，归纳生物实验一般方法。接着一起讨论相关问题，寻找问题答案。

二、教学目标

（一）知识目标

学生能运用物理和化学相关分子热运动理论说明植物细胞吸收水和失去水的渗透作用原理;理解水分运输的动力;水分散失及其对全球水循环的意义;水分代谢在生产中应用。

（二）能力目标

学生初步进行生物实验操作能力，设计实验能力;学习从实验现象中提出问题，思考问题能力;初步运用学科交叉思维能力。

（三）生活目标

在實验、讨论中学会个人在团队中的合作方法，体会团队合作的优势;水问题不仅是农业上重大问题，也是一个世界性的生态问题，引导学生关注中国和世界范围人类共同所面临的问题，从而形成科学生态价值观，激发学生的使命感。

三、教学过程

实验室准备好各种相关材料：半透膜用玻璃纸，蔗糖，蒸馏水，洋葱，已经处理分层好的鸡血，吸水纸，显微镜，萝卜条，刀片等。学生用一个课时完成实验。做完实验后老师给每组分发一系列关于相关实验的问题。

第二课时开始，由学生先展示课外实验，讨论总结实验不规范的操作：（1）切萝卜条大小不一;（2）两颗植物大小差别大;（3）两颗植物是不同种的。总结出生物实验一个基本原则是：唯一变量。

接着班上集体讨论预设问题：

（1）溶液液面逆重力上升是否违反了物理学原理？那里上升的动力是什么？请联系物理学中布朗运动的原理和化学中溶液扩散现象。

答：没有违反物理学原理。水分子在特殊结构—— 半透膜两边扩散运动是液面上升的动力。

（2）蔗糖溶液液面会不断上升吗？膜两边浓度会变得相等吗？为什么？

答：观察到溶液液面上升到一定程度就停止了。膜两边浓度永不相等，因为蔗糖分子不能到下面的水溶液。

（3）请问溶液液面上升过程中有什么物理量发生改变？当液面停止时水分子微观运动是什么样的状态？

答：蔗糖溶液液面上升，会产生重力，在重力作用下减慢了水分子向上运动的速度，加快水分子向下运动的速度。当向上和向下运动速度相等时，溶液液面停止不动了。

（4）所有的洋葱细胞都发生质壁分离和复原现象吗？这说明细胞有什么差别？

答：这说明细胞是一个渗透结构，并且细胞的浓度是有差异的，发生质壁分离的细胞浓度较低，没有发生的细胞浓度较高。

（5）在清水的萝卜条变硬了，而在30%的蔗糖溶液的变软了的原因是是什么？

答：细胞失水后，细胞中出现了很大的“空隙”，因此細胞间有了“活动空间”，所以萝卜条变软弯曲。而细胞吸水后，整个细胞充水膨胀，饱满，细胞间没有可活动的空间，所以萝卜条变硬。

（6）浇海水的植株第二天变黄死了说明什么？结合质壁分离说明植物吸水的生理特点是什么？

答：这说明植物失水死亡;说明了植物吸水是一个被动的生理过程，吸水或失去水决定于浓度差。

（7）由鸡血实验说明动物细胞发生渗透作用吗？为什么在清水中红细胞会破裂？

答：这说明动物细胞也发生渗透作用。因为没有细胞壁的限制作用，动物细胞吸水过度涨破。

（8）讨论到这里先播放一段影像资料：天山山脉优美的景象，在山脉中部连绵不断的云杉林，这里被国家地理评为中国最美的森林。云杉是我国最高的植物，一般有60米。接着播放一段长城内外的森林和草原风光。请问水到达60米高的树顶的动力是渗透作用吗？这个动力最终来源哪里？

答：是的。蒸腾作用使叶细胞的浓度最高，然后是茎，最后是根，形成了细胞间浓度梯度差，水能从下渗透向上了。因此光能是最终动力来源。所以运输动力决定于外来的因素。因此植物生长可加速水的循环。

（9）由水分吸水和运输动力的特点说明农业生产和高大乔木生长的自然条件是什么？为什么天山山脉只有中部山腰长森林，而山顶和山下没有。

答：水是农业生产的根本条件，必需有充足的水森林才可以生长。天山顶有固态的水而无液态的水，而水流动到山脚已经很少了，不足以满足森林生长了。

（10）长城的位置基本上与400mm降雨量吻合，这在生物学上说明什么？

答：长城内降雨量大于400mm，森林可生长，可进行农业生产。长城外降雨量在200— 400mm之间，是牧草生长区，自能进行牧业生产。长城其实是农业社会和牧业社会的分界线。

（11）国家发展农业生产和工业生产布局与水的关系。

答：这是一个课外大问题，感兴趣的学生自己了解。

在解决预设问题的同时，学生在这个过程中产生有各种自己的问题，有些可当场讨论解决，有的无法解决。下面列举一些学生自己产生的问题：

（1）溶液分子为什么永不停息地运动？

答：这个无法很清楚说明。这与分子间引力和斥力，还有分子势能等有关。建议和物理老师交流。

（2）磷脂为什么形成双分子层？

答：这与分子间亲和力有关，高中阶段无法理解得很清楚。

（3）为什么我们去海里游泳不会失水而死？

答：因为我们表皮有角质层保护，我们的细胞不直接和海水相接触。

（4）为什么我们这里海岸线有那么多树林（红树林）生长，而没有因海水而失水？

答：红树林有特殊的结构和生理适应海水能力。比如有分泌的盐的腺体，能储存大量的空气等。

（5）全球变暖，我国新疆等地会发生什么变化？

答：可能冰川溶解，那里失去了生物生存的基本条件—— 水。

四、课后总结

在教学过程中，注意观察每组实验情况，每组在讨论中发表见解的状况，课后分别调查他们对这节课的评价和意见。

（一）问题反思

有部分组做的实验很混乱，互相配合的团队能力比较低，有些生物基本实验能力都没有。这反应我们一些学生的动手能力低。

约三分之一的组从实验到讨论问题都处在被动的状态，另三分之一的组比较活跃。开始讨论比较艰难，思维无法连接上。需要慢慢复习物理知识引导。

部分同学适应不了这种讨论式的学习方法，要求老师用传统的教学方法。

这节课用了三个多课时才完成，用时长。这样无法按正常课时去授课，不能符合高考课时要求。

（二）良好的反应

自始至终，有一部分学生很兴奋，感觉很新奇，回答问题非常积极。这说明他们体会到多学科思维方式的综合运用的好处，理解了这个简单的生理运动是在特定条件下物理和化学运动的结果，增强了学生科学的探索欲望，升华了他们对科学实验的理解，开拓了他们的思维广度，基本上达到预期教学设想。

通过这次探索增强了笔者教学的信心，也鼓舞了笔者继续进行新的探索。

【参考文献】

[1]方许武.2012“植物细胞吸水和失水原因”一节教学难点的突破[J].生物学教学，37（5）

（责编 卢建龙）