“探究根向地性的产生机制”高三复习课教学*

邱 阳闫 霞

（1北京市第九中学 北京 100041 2北京市第一0一中学 北京 100091）

1 理论依据

建构主义学习理论［1］提倡探究性学习，在教学过程中，教师为学生创设问题情境，引导学生不断发现问题和解决问题。教师提供一定的方法和依据，指导学生通过小组合作等方式进行学习活动。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》要求培养学生的学科核心素养，包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任［2］。

在“探究根向地性的产生机制”一节复习课中，以探究性学习为基础，以科学家多个真实的研究过程为素材，引导学生在科学探究的情境下，按照一定逻辑关系分析重力作用导致根向地生长的机制，过程中渗透了归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等科学思维方法；针对根的向地生长现象，引导学生进行观察、提问、实验设计，并对结果进行交流与讨论，提高学生的科学思维水平和科学探究能力，逐步建立生命观念，并初步培养社会责任。

2 学情分析

学生通过高二新课的学习，已经基本掌握生长素的本质、产生部位、运输方式和作用特点等基础知识，但应用生长素的相关知识解决实际问题能力欠佳。学生的科学思维水平和科学探究能力等学科核心素养尚未达到新课标要求，需要通过高三复习逐步提升。

学生对根向地生长这一生命现象比较感兴趣，乐于用生物学知识解释现象，喜欢探索未知事物，有一定的逻辑分析能力。

3 教学目标

1）利用根向地性的系列实验，课堂再现科学家探究根向地性的科学情境，指导学生在新情境下完成观察、提问、设计和讨论等活动，培养学生的科学探究能力。

2）通过对大量科学证据与实验结果的分析和推理，逐步得出重力作用导致根向地生长的机制模型，提升学生的科学思维水平。

3）通过对根尖结构探索得出根向地生长的机制，体现结构与功能观；根向地性的形成是植物长期适应自然环境的结果，体现进化与适应观。

4 教学过程

4.1 创设情境，提出问题 利用多媒体出示植物向光性、向地性、向水性的照片，说明植物不能像许多动物那样自由活动，但受到单向外界因素的刺激时，会发生定向运动，这种现象称作植物的向性运动；一般认为向性运动与植物体内的生长素分配不均有关［3］。激发学生的好奇心与求知欲，明确本节课的目标是探究根向地性的产生机制。

4.2 回顾基础，应用提升 为解释根向地生长的原因，请学生回顾生长素的相关基础知识，写出生长素的本质、产生部位、运输方式和作用特点并交流。教师根据学生答案进行补充讲解，例如极性运输是主动运输，需要载体和能量；植物体不同部位对生长素敏感度不同等。

请学生应用生长素的作用特点，解释根向地生长的原因。学生容易说出根尖横向放置时，生长素受重力作用，近地侧浓度高，远地侧浓度低；又因为根对生长素敏感，上部生长素浓度低，促进生长，下部生长素浓度过高，抑制生长，结果导致根向地弯曲。

教师概括原因：重力作用导致生长素分布不均造成根向地弯曲。

4.3 提出质疑，深入探究 引导学生对上述解释提出质疑：例如“根的向地弯曲确实是重力作用导致的吗？重力作用如何导致生长素分布不均？你观察到生长素的分布情况了吗？”等相关问题。明确上述解释只是根据生长素特点提出的一种假说，如果要证明上述假说需要充分的实验证据，强调实验探究的重要性。

4.3.1 验证重力作用及感受重力的部位［4］请学生设计实验证明重力作用是导致根向地生长的原因。学生容易想到将植物放到无重力的太空中，观察根的生长情况，并预期实验结果为根的向地性消失。科研人员做过该实验，结果与学生的预期一致。上述实验可以说明重力作用是导致根向地性的原因。

如何证明感受重力作用的部位在根尖？学生容易想到切除根尖后横向放置，预期根的向地性消失，可证明根尖是感受重力作用的部位。

学生初步尝试设计实验并预期结果，学习实验设计的方法，感受实验设计的快乐。

4.3.2 验证IAA分布不均［3］假说中还提到了重力作用导致IAA分布不均，如何证明根中出现了IAA分布不均的现象？此时从宏观水平进入微观水平，引导学生思考如何观察IAA的分布。学生可能会想到生物学中常用的同位素示踪技术标记并通过放射性显示IAA的分布。教师明确科研人员早期确实用这种方法做过实验，但实验效果不理想，原因是IAA是植物激素，在植物体内含量极少。如何才能更好地观察到IAA的分布情况？教师提供背景资料：GFP基因是绿色荧光蛋白基因，其表达产物可显绿色荧光；DR5是一种IAA敏感型启动子，表达强度会随IAA浓度增加而增强。请学生通过小组讨论，写出实验设计并预期实验结果，小组代表发言。学生容易根据信息联想到学过的基因工程的知识，并通过小组合作提出合理的实验设计，基本过程如下：将DR5和GFP基因连接后导入植物细胞，并培育成转基因植物，分别观察正常生长和横向放置的根尖部位的荧光分布。预期结果：向地侧绿色荧光强度大于背地侧。

此时展示科研人员真正完成这个实验所获得的实验结果（图1），结果与学生的预期一致，学生容易根据结果快速得出结论。激发学生的探究热情，进一步提升学生的实验设计能力。

图1 DR5启动子驱动下绿色荧光蛋白（GFP）的表达（示生长素的分布）［3］

4.3.3 淀粉体的发现与生长素运输模型［3，5］重力作用如何引起生长素分布不均？很多学生认为是生长素分子受到重力作用出现沉降造成的。此时明确地告诉学生，生长素是一种易溶于水的小分子有机物，其水溶液可以稳定地存在，不会受重力作用出现沉降，并追问什么样的分子才会出现沉降？例如不溶于水的大分子。此时展示科学家利用电子显微镜观察到的根尖照片（图2），指导学生观察根尖某些细胞中淀粉体的位置。学生容易发现淀粉体的位置始终在细胞下部，推测淀粉体很可能是感受重力的物质。运用类比推理的方法引导学生思考：观察到淀粉体分布不均，而刚才证明了生长素也出现了分布不均，二者是否存在某种联系？推测很可能是淀粉体导致了IAA的分布不均。出示电镜下观察到淀粉体压迫内质网的现象，为探究Ca2+的作用埋下伏笔。

图2 淀粉体在根尖细胞中的分布

淀粉体是如何导致IAA分布不均的？此时学生需要建立淀粉体与IAA之间的联系。教师展示淀粉体影响根尖IAA运输模型（图3），请学生根据模型进行小组讨论并分析原因。学生讨论得出淀粉体可通过影响IAA的运输从而造成IAA分布不均，培养其运用模型解决问题的能力。

图3 植物根尖生长素运输模型［5］

4.3.4 探究Ca2+的作用［6］淀粉体通过何种方式影响IAA的运输？与内质网有关吗？提醒学生回忆刚才看到的淀粉体压迫内质网的现象，并告诉学生内质网是一种含有大量Ca2+的细胞器，在很多细胞的研究中均发现内质网可通过释放Ca2+传递信息。根据上述信息，学生提出推测：Ca2+与根的向地弯曲有关。

为了验证与根向地弯曲的关系，科研人员进行了材料1的实验。学生阅读材料1并分析曲线图所示的实验结果，得出结论。

材料1：为进一步探究Ca2+的作用，科研人员将水稻幼苗水平置于培养基中，分别用不同浓度的Ca2+和EDTA （可与Ca2+结合使其失去活性）处理根，每天测定根的弯曲角度，结果如图4。

请分析Ca2+和EDTA对根向地弯曲的影响，并得出结论。

图4 不同浓度的Ca2+和EDTA对水稻根弯曲角度的影响［6］

教师指导学生运用分析横纵坐标，实验组与对照组进行对比等方法，分别得出高浓度的Ca2+可促进根的向地弯曲，高浓度的EDTA可抑制根的向地弯曲的结论。

4.3.5 得出Ca2+作用机制，建立根向地性模型［5］

Ca2+如何影响IAA定向运输？科研人员又通过一系列实验最终得出横向放置的根尖细胞向地性机制模式图（图5）。让学生用准确的文字描述图中所示的机制，小组讨论并展示。

图5 横向放置的根尖细胞向地性机制［5］

根据学生发言总结得出，Ca2+通过结合并激活钙调蛋白，钙调蛋白结合生长素泵导致IAA定向运输，再由细胞水平上升到组织水平；很多细胞均按照这种方式运输IAA，最终决定了IAA在根中向地测含量高，从而导致向地弯曲的现象。

4.4 结合模型，质疑讨论 提示学生思考上述过程还有哪些环节不太清楚，最初的假说是否正确。培养学生的实验评价能力，提倡批判性思维。此时学生提出内质网释放Ca2+的机制不清楚，钙离子泵的作用不明确等相关问题。

师生共同讨论“根为什么会向地生长”，得出根的结构决定了其可以向地生长，有利于根完成其吸收营养物质和固定植物体的功能；此外根的这种特性可提高植物体适应环境的能力，是经长期进化过程形成的，体现生命观念中的结构与功能观和进化与适应观。

4.5 总结方法，探索建议 学生课后通过查阅文献，尝试解决自己刚刚提出的问题。推荐使用“百度学术”等科研检索工具（https：//xueshu.baidu.com/）。

5 板书设计

图6 板书设计

6 教学反思

本节课所选的素材均取自真实的科学研究。将多个科学实验组合成一条环环相扣的逻辑链，引领学生按照科学思维过程设计实验并分析实验结果，层层递进，最终得出根向地生长的机制。机制细节之处仍然有值得质疑之处，给学生留有思考的空间。

本节课所提供的研究素材，不是要求学生从知识上掌握这些内容，而是希望学生在利用这些素材解决问题的过程中，培养综合能力，提升核心素养。

课程中设计了大量师生共同分析讨论的环节，留出时间让学生将自己的想法书写在学案上，向学生提供查阅科研论文的方法等，为学生将来从事科学研究工作做好铺垫。