创新教科书实验——以“探究植物细胞的吸水和失水”为例

闵伦仔 （广州市增城区派潭中学 广东广州 511385）

1 教学背景

1.1 教材分析

本节内容是人教版高中生物必修一第四章第一节的内容。该实验是高中生物课程第一个探究实验，是倡导探究性学习、发展探究能力的良好素材。该实验要求学生能够提出问题，作出假设，体验实验的科学方法和思维过程，并在此过程中理解细胞吸水和失水的外因、内因及原生质层相当于一层半透膜并具有选择透过性等知识点，为今后学习物质跨膜运输奠定基础。

1.2 学情分析

学生上节课已经学过渗透作用、哺乳动物红细胞吸水和失水实验以及原生质层的概念，并从生活中已获得了一些直观的认识，但对植物细胞吸水和失水的基本原理、所需要的条件，缺乏理性认知。学生基本掌握临时装片的制作和显微镜的使用技能，但是设计实验、探究创新能力较差。

2 教学目标

通过观察生活中的常见现象，挖掘生物问题，并通过科学探究，能够针对特定的生物学现象，进行观察、假设、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论，在学习科学知识和提升科学探究能力的同时，能够培养学生团队合作的精神。

3 教学重点和难点

3.1 重点

（1）理解植物细胞吸水和失水原理。

（2）植物细胞吸水和失水的外因和内因。

（3）理解植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。

3.2 难点

（1）理解植物细胞吸水和失水原理。

（2）理解植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。

（3）尝试提出问题，作出假设，设计实验，验证假设——体验科学探究的一般过程。

4 实验材料

光学显微镜、智能手机、天平、刀片、镊子、载玻片、盖玻片、吸水纸、物质量浓度为0.3~0.6 g·mL-1蔗糖溶液、物质量浓度为0.1 g·mL-1KNO3溶液、清水、洋葱、红背桂叶片、紫万年青叶片、火龙果皮。

5 教学过程

5.1 课前准备

上节课结束时，教师提出两个问题留给学生课后思考：

（1）植物细胞能吸水和失水吗？

（2）能不能从生活中找到现象或者自己设计小实验来证明你的结论？

5.2 创设生活情境，导入新课

课堂上，学生展示上节课教师提出的两个问题的讨论结果。学生一致认为植物细胞能吸水也能失水，并举例如下：

（1）市场卖青菜的农民如果不间断地洒水，菜会萎焉，证明植物能失水。洒水后菜叶会很新鲜，证明了植物细胞能吸水。

（2）凉拌青瓜，加盐和醋后会有很多汁液渗出，证明植物细胞能失水。

（3）有一组学生还设计了非常巧妙的实验：取两个矿泉水瓶，一个放清水，一个放同体积的高浓度盐水，分别放入两颗长势相同的青菜，结果加清水的青菜依然坚挺，而高浓度盐水中的青菜已经萎焉。

通过生活现象的观察和小实验的设计，学生能够非常直观地感受到植物细胞能吸水和失水，并激发了对探究植物细胞吸水和失水的原理的欲望。

5.3 通过演示视频和动画，直观的呈现微观现象

教师在播放演示视频的同时，引导学生观察整个细胞大小变化，液泡大小、颜色深浅的变化，并完成表1内容。学生通过对植物细胞吸水与失水的微观现象的观察，初步理解植物细胞吸水和失水原理以及植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。

表1 实验结果记录表

学生完成表格后，教师通过质壁分离及复原动画的播放及引导，使学生能用微观的原理解释宏观的实验现象。这样，学生能直观地理解：当外界浓度大于细胞浓度，植物细胞会失水；当外界浓度小于细胞浓度，植物细胞会吸水。通过观察，学生发现不管植物细胞吸水还是失水，细胞的大小基本不变，变化较明显的只是液泡的大小和原生质层的位置。

通过此环节，学生能很好地掌握植物细胞吸水和失水的外因和内因，并能更深入理解“植物细胞吸水与失水的原理”和“植物细胞的原生质层相当于一层半透膜”这两个知识点。这也是为后面进一步的探究实验做准备。

5.4 对教科书实验的创新

5.4.1 探究实验Ⅰ

教师提出问题：洋葱鳞片内表皮细胞能作为实验材料吗？

学生撕取洋葱鳞片内表皮细胞，按照演示实验的方法与步骤进行实验。经过实验，学生发现：显微镜下观察到滴加清水的洋葱鳞片内表皮细胞和滴加0.3 g·mL-1蔗糖溶液的洋葱鳞片内表皮细胞基本没什么区别。为什么洋葱鳞片外表皮可以，而内表皮细胞不行呢？

学生通过讨论对比，在教师的引导下，总结得出：因为洋葱鳞片内表皮细胞原生质层没有颜色，所以实验现象不明显。因此，要清楚地观察到植物细胞的质壁分离，原生质层必须要有颜色实验现象才能更明显。

5.4.2 探究实验Ⅱ

教师提出问题：除了洋葱，生活中哪些熟悉的植物能用来做实验材料？

有了第一个探究实验的基础，学生知道必须要选用具有颜色的实验材料。课前，学生在校园内发现红背桂、紫色万年青的叶片下表皮有颜色，另外，火龙果的果皮也有颜色。学生分组，分别以这三种材料作为实验材料，以0.3 g·mL-1蔗糖溶液按照教科书上的方法与步骤实验实验，发现：这三种材料都能明显的观察到质壁分离现象，并且前两种材料可以在校园内就地取材比洋葱更加经济实惠。而利用火龙果的果皮是废物利用。通过这个实验，在观察质壁分离的同时，学生发现红背桂、紫色万年青两种叶片的下表皮细胞气孔非常明显。这也为光合作用气孔的观察和研究光合作用过程中气孔导度的变化提供了丰富的材料。

5.4.3 探究实验Ⅲ

在冬天与春天之间那些含混不清的日子里，乱雨迁延着冬日的寒意。母亲死后，一杭情绪一直比较低落。如果不是为了所谓的真相，也许他不会离开病中的母亲，母亲可能就不会出事。而自己拼命得到的，原来是一个错误的真相。核桃脸被人收买了。而这个人不是夏冰，夏冰恰恰是被他诬陷的对象。所以，夏冰才想杀他。一定还有一个人，躲在暗中，操纵一切。

教师提出问题：植物细胞会不会像动物细胞一样失水过多而失活？怎么判断细胞已失活？

学生通过上一节课学习水分进出哺乳动物细胞的状况知识点后，已经知道高浓度的溶液会使动物细胞失水过多而死亡。并且，通过上面的实验学生知道了当蔗糖浓度大于0.3 g·mL-1时，洋葱鳞片外表皮细胞就会失水出现质壁分离。因此，学生分组讨论并设计如表2所示的蔗糖浓度梯度，并以洋葱鳞片外表皮细胞为实验材料，对该问题进行探究并记录结果。

表2 高浓度蔗糖溶液对洋葱鳞片外表皮细胞吸水与失水影响的实验结果

通过实验结果的观察，学生发现4组实验条件下的洋葱鳞片外表皮细胞都会发生质壁分离，并且浓度越大质壁分离现象越明显。但是在蔗糖浓度为0.3、0.4 g·mL-1时，通过在载玻片一侧滴加清水，另一侧吸水纸吸引后，细胞会慢慢的发生质壁分离复原。当蔗糖浓度为0.5、0.6 g·mL-1时，滴加清水后细胞不再发生质壁分离复原。

在教师的引导与分析中，学生得出实验结论：高浓度溶液会使植物细胞失水过多而死亡，并且死细胞不会发生质壁分离复原。所以活细胞是观察质壁分离复原的必要条件。

5.4.4 探究实验Ⅳ

教师提出问题：K+、NO3-等离子是植物所需要的，如果用含有这些离子的溶液做实验结果会怎么样？

该实验中，学生全程用智能手机镜头对准目镜进行录像。这样比用眼睛观察更加轻松，且可为以后教学留下丰富的教学材料。学生通过观察发现：0.1 g·mL-1的KNO3溶液会使细胞先失水发生质壁分离，但一段时间后不用滴加清水也会发生质壁分离复原。而处于0.3 g·mL-1蔗糖溶液下的细胞会发生质壁分离现象，但若不滴加清水，则细胞不会发生质壁分离复原。

通过以上实验，学生知道：植物细胞的原生质层相当于一层半透膜，可允许需要的物质进入细胞。当细胞处于0.1 g·mL-1的KNO3溶液时，因为外界浓度比细胞浓度高，细胞会失水，但是细胞在失水的同时，K+、NO3-会慢慢的进入细胞。所以一段时间后，细胞内的浓度会高于外界浓度，此时细胞会吸水而出现质壁分离复原。

通过教师的引导分析，学生较容易突破此难点，也为后面能更好地理解植物吸水与吸收矿质元素是一个相对独立的过程做铺垫。

6 教学反思

笔者所在的学校的实验室条件完全不能与市区学校相媲美。并且不少学生的基础知识较差，再加上初中生物不参加中考，很多学生在初中没有好好学习，更别说学生的实验操作了。因此，学生在作出假设、设计实验等方面会有一定的难度，需要教师必须设置好不超出学生当前的认知水平的探究梯度，并适时、恰当地为学生的创新提供帮助，使其能享受成功喜悦，激发并维持其创新热情。

本实验中，教师有意提供了KNO3溶液这一实验试剂。虽然该实验难度较大，但只要认真分析实验现象，学生可以对植物细胞渗透吸水、失水的原理有深层次的认识，并进一步理解植物吸水与吸收矿质元素是一个相对独立的过程，使知识实现升华。整个实验过程中，学生都用智能手机摄像头对实验结果进行拍照和录像。学生利用周末整理的照片整理，并将最后的KNO3溶液探究实验剪辑成视频配上文字。

通过本节内容的几个探究创新型实验的设计与实施，进一步提高了学生科学探究能力、创新能力和团队合作能力。这无疑是一种教学与思维的创新。对于学生日后独立进行科学探究活动十分有益。