渗透科学探究和科学思维的高中生物学实验教学——以“观察植物根尖细胞的有丝分裂”为例

李 伟

(江苏省南通第一中学 南通 226001)

在生物学实验课堂教学中以启发学生科学思维为出发点，创设具有探究价值、能激发学生兴趣的问题情境，在教师的指导下展开科学探究，让课堂中要进行的分组实验成为学生科学思维碰撞的必然和需要。学生在小组合作、组间交流、数据分析、问题解决过程中理解科学方法的本质，发展科学探究和科学思维能力。

“观察植物根尖细胞的有丝分裂”是人教版高中生物学教材必修1中与“细胞的增殖”相关的学生实验，也是高中生物学中的经典实验。传统的教学方法是教师讲解实验原理、实验材料、实验操作步骤。学生按要求完成实验，展示实验结果。学生只会按照教材的步骤或教师要求操作，容易出现动手不动脑的状态。如何在生物学实验中让学生体验科学探究，需要生物学教师深入研究和尝试。本文基于问题进行了实验教学中渗透科学探究和科学思维的尝试，具体课堂活动设计如下。

1 创设具有探究价值的问题情境，激发学生科学探究的热情

创设与学生生活密切相关的、具有一定探究价值的问题情境——新装修房室内甲醛污染问题。在此基础上展示用0.01%甲醛溶液和蒸馏水常温下培养10d的大蒜根的生长情况(图1)。引导学生从细胞层面对根尖生长进行分析，提出问题： 甲醛对大蒜根尖细胞有丝分裂有什么危害？大蒜是否适合作为环境中甲醛污染的指示植物？让学生在要探究问题的价值体验中进行本节课的科学探究。

图1 大蒜水培图

2 设计递进式问题，推动学生科学思维的深化

对提出的问题进行科学探究需解决一系列问题。教师可以设计递进式问题引导学生的科学思维。

2.1 需解决的问题一 要研究甲醛对大蒜根尖细胞有丝分裂的危害，你认为应以根尖哪个区域的细胞作为研究对象？这个问题的解决可以让学生对比分生区和根尖其他区域的细胞显微图(图2、图3)，对不同区域细胞的特点进行分析和思考。让学生得出适合研究有丝分裂的区域(分生区细胞)，同时也对如何辨识分生区细胞获得了一定的直接经验，为接下来的研究做技能和知识的铺垫。

图2 根尖伸长区细胞显微图(纵切面)

图3 根尖分生区细胞显微图(纵切面)

2.2 需解决的问题二 如何才能观察到大蒜根尖分生区细胞有丝分裂情况呢？这个问题可以激发学生对接下来实验操作每一环节的思考，教师可以设计问题链加以引导。比如①能不能剪取根尖直接放在显微镜下观察？(不能。)②那么应该把根尖变成什么样子才适于观察细胞分裂？(植物细胞本来是紧密结合在一起的，为了让根尖变薄，变成单层细胞便于观察，我们首先要让细胞松散开来，这就要用到我们桌上的解离液处理。)③解离好之后如果显微镜下可以看到细胞，细胞应该是什么颜色？(无色。)④我们需要通过观察染色体来研究细胞的有丝分裂该怎么办？(染色。)⑤染色的时候根尖还附着着解离液，解离过度会怎么样？(破坏细胞和染色体。)怎么办？(解离之后，染色之前要漂洗。)⑥经过漂洗再染色得到了染了色的一层一层叠在一起的细胞，能直接放在显微镜下观察吗？(不能，要通过压片的制片方式把它变成单层细胞。)由此得出的“解离→漂洗→染色→制片”的实验步骤及目的都是学生在科学探究过程中科学思维的结果。

2.3 需解决的问题三 如果观察到0.01%甲醛溶液培养的大蒜根尖分生区细胞的有丝分裂情况，是否就能直接说明甲醛有危害？学生在这个问题的解决过程中能体验实验设计的一般原则，培养严谨、踏实的科学精神。同时明确本节课组内合作、组间交流和班级汇总的任务和要求。①组内合作： 将全班学生分成A、 B、 C、 D、 E、 F六小组。A、 B、 C组的学生完成蒸馏水中培养的正常生长的大蒜根尖分生区有丝分裂的观察与分析；D、 E、 F组的学生完成0.01%甲醛溶液培养的大蒜根尖分生区细胞有丝分裂的观察与分析。②组间交流： 每小组选一名组间交流员，其任务是联络相邻小组进行不同图片的差异及原因分析。③班级层面： 利用黑板上的表格进行各小组实验数据的汇总，同时各小组派一名代表展示和分享本小组的显微图片，并进行一定的分析和解说。

3 实施改良实验，加深学生对科学探究和科学思维的体验

在学生针对要探究的问题，明确了实验目的，掌握了实验方法和一定显微图片的分析技能后，为学生在课堂有限的时间和有限的条件下能顺利完成实验，生物学实验社团的学生在课前进行了几百次实验的尝试，在教材实验操作的基础上进行了一定的改良。为简洁地完成本实验相对较多的操作步骤，将主要的实验操作环节通过白瓷点滴板完成，具体操作如图4。

图4 利用白瓷点滴板进行实验操作示意图

首先，在白瓷滴板凹槽1中滴加解离液，将根尖放入凹槽1中完成解离步骤。凹槽2、 3中滴加蒸馏水，将解离后的根尖用蒸馏水冲洗2～3次，依次放入凹槽2、凹槽3中，完成漂洗步骤。在白瓷滴板的凹槽4中滴1～2滴染液，将漂洗好的根尖放入凹槽4，完成染色步骤。凹槽5、 6中滴加蒸馏水，将染好色的根尖在凹槽5中拨动1～2s，用吸水纸吸去根尖周围水分，在点滴板盛有清水的凹槽6中蘸一下(保证根尖附着足够的水分)。最后将处理好的根尖，放在载玻片上，刀片切取根尖2mm左右，以压片的方式制片，使根尖细胞充分展开。

利用数码显微镜观察采集典型的图片，小组讨论、仔细辨别有丝分裂各时期细胞和分析图片中异常情况。再进行组间交流，比较不同组图片的差异及说明的问题。

4 分享展示成果，完成科学思维的碰撞

4.1 图片展示中实现小组间科学思维的碰撞 以小组汇报的形式进行成果展示，在展示的图片中查找有丝分裂分裂期细胞，分析有丝分裂各个时期的特征，分析异常图片的可能原因。图5为A小组在课堂展示的显微图。结合图5可以分析： ①分裂间期和分裂期细胞，理解不同时期细胞数量、比例及染色体行为；②气泡产生的原因(图片上方)，让学生体验规范的实验操作的重要性；③解离过度的细胞状态(图片左下)，验证实验操作步骤的合理性和必要性。

图5 A组大蒜根尖细胞显微图

小组充分展示后，通过不同小组的展示交流，进行思维碰撞，如： 与E组相比较，B组的结果中处于分裂期的细胞明显较多。

4.2 数据统计中实现全班科学思维碰撞 班级层面数据汇总，各小组在采集的图片中选择较清晰的一张进行计数，并将数据填入黑板上的表格中。统计结果如表1：

表1 探究甲醛对大蒜根尖分生区细胞有丝分裂危害记录表

4.3 结论分析中实现学生与真实科研的科学思维碰撞 全班在各组图片的比较和数据的分析中得出结论。教师引导学生针对得出结论的过程，分析其不严谨性，如： 统计样本太小，各小组学生对图片判断的误差等。在此基础上展示真实科学研究数据(表2)。

表2 甲醛处理对大蒜根尖有丝分裂的影响记录表[1]

由此得出结论，让学生体验真实科学探究的过程及其严谨性。同时解决了本节课探究的问题“甲醛对大蒜根尖细胞有丝分裂有什么危害？”，也证实大蒜可以作为室内甲醛污染的指示植物。

*前文受合肥翰思科学仪器公司关注*