基于生物学学科实验课程的综合实践活动主题活动设计——以“植物细胞质壁分离现象的认知拓展”为例

安徽 余中宾 张晓盼

“植物细胞的吸水和失水”是人教版高中生物学必修1教材《分子与细胞》的探究·实践栏目，该实践探究有利于学生加深对生物学渗透作用的理解，从而帮助学生在“水是细胞重要组成成分”的基础上达成对“物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞的正常代谢活动”重要概念的理解。教学中，由于此实验操作简单导致其可能会被忽略，或者只用紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞观察较明显的质壁分离现象，后者可能会使学生产生“只有有颜色的细胞才能发生质壁分离的现象”的惯性认识，不利于对植物细胞结构产生更深层次的认识，更不利于学生对植物细胞失水在农林生产实践中的理解和应用。

在设计与实施综合实践活动课程时，要引导学生主动运用学科知识分析、解决实际问题，使学科知识在综合实践活动中得到延伸、重组与提升。本文尝试将教材中探究的内容拓展为生物学学科的综合活动实践，引导学生积极审视实践内容，构建证据，反思生物学原理和概念，对所发现的生物学现象进行分析、解决，从而达到拓展、加深学生对教学中的知识的记忆和主动运用生物学学科知识分析、解决实际问题的目的。与此同时，为选择合适的学科内容为高中生物学课程关联的综合实践活动，做到常态实施的可行性和实效性进行经验积累和实践摸索。

一、建构生物学综合实践活动的一般过程

综合实践活动内容的选择与组织要遵循自主性的原则，要注重引导学生回归课本，回顾基础知识，从特定的情境角度来确定具体内容和设定活动目标任务；从实践性和连续性看，在探究、设计、操作中进行体验和感悟，在发现、分析和解决问题中进行合作、交流和评价，加强知识内容在系列活动中的衔接，构建合理的活动主题序列进行拓展升华(图1)。

图1

二、生物学综合实践活动设计过程

1.实施条件

(1)活动对象

高中生物兴趣小组，共6组，每组2～3人

(2)实施课时

3个课时

(3)实施方式

建立合作小组，以小组为单位围绕“观察洋葱鳞片叶外表皮细胞的失水”进行活动。

(4)实施设施及器材

常规生物实验室试验台，光学显微镜、不同浓度的蔗糖溶液、清水、各种植物组织、刀片、载玻片、盖玻片、滴管、吸水纸、提供拍摄的手机。

2.实施过程

(1)设置问题情境，重现洋葱鳞片叶外表皮细胞的质壁分离现象(第1课时)

回顾细胞渗透作用的原理，明确探究目的：学生自主设计观察到清晰的质壁分离现象时合适的蔗糖溶液浓度的方案。同时教师提出问题：①质壁分离的细胞学结构基础是什么？②在一定的时间内观察时，蔗糖溶液的浓度是越大越好吗？③如何确定洋葱鳞片叶外表皮细胞质壁分离时合适的蔗糖溶液浓度？

学生分工合作，配制质量浓度为0.1 g/mL、0.3 g/mL和0.5 g/mL的蔗糖溶液，制作4个临时装片同时用手机拍摄；指导学生刀片划“井”字，用镊子撕取紫色洋葱鳞片叶外表皮单层细胞制作成临时装片。

教师给出两种观察方案：①制作清水下细胞临时装片，显微镜下观察，然后在载物台上临时装片的盖玻片一侧滴加某浓度蔗糖溶液，用吸水纸重复引流后观察。②用镊子撕下表皮后直接放在载玻片中央的蔗糖溶液滴中，展平盖上盖玻片，制成临时装片观察。

学生比较两种方案，根据显微镜下观察到的现象和所需时长进行比较得出：第一种方案操作烦琐，难度较大，且临时装片中的清水会稀释蔗糖溶液，导致发生质壁分离时间延长等。

光学显微镜下观察并比较清水里和不同蔗糖溶液里的细胞的变化情况，并用手机对着目镜拍照，然后记录(表1)，最后通过引流清水观察是否发生质壁分离复原现象确定合适的蔗糖溶液浓度。

表1 不同蔗糖溶液浓度下紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的变化情况

各小组交流观察过程、结果，可以展示小组满意的观察结果(图2)，也可以列出不满意的结果并提出质疑，比如取材位置、浸润蔗糖溶液方式、同一个显微镜观察视野下的细胞质壁分离程度不一样等。尝试分析解释，并在教师指导下改进操作过程。

图2

(2)观察洋葱鳞片叶内表皮细胞及质壁分离现象(第2课时)

打破知识思维定式，通过显微镜观察明确紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞不是唯一能发生质壁分离的细胞，紫色便于观察到质壁分离的失水现象。植物细胞失水出现质壁分离现象是普遍存在的。与外表皮相比，内表皮更容易撕取，如何观察到没有颜色细胞的质壁分离现象呢？

尝试用内表皮细胞在合适的蔗糖溶液里进行操作，观察到清晰的图像后描述、记录、拍摄(图3)。

图3

①小组代表展示拍摄较好的图片，尝试指出显微镜下清水里无色的内表皮细胞的细胞结构及无色的内表皮细胞在蔗糖溶液里质壁分离现象的特点。

②各组组织讨论，对结果不明显的找出问题，比如显微镜视野太亮；取的组织太厚，导致多层细胞叠加等，提出改进方法。

③尝试在蔗糖溶液中滴加红墨水，在显微镜下观察内表皮细胞的变化，记录现象并拍摄(图4)。

图4

④各小组根据对观察结果的评价意见(表2)进行交流，讨论没有出现预期现象的原因并改进。

表2 显微镜观察洋葱鳞片叶内表皮结果评价表

教师需要特别指出细胞壁与细胞膜之间蔗糖溶液的折光度与细胞液不同，用显微镜在不太明亮的视野下进行辨认是否发生质壁分离。无色的洋葱鳞片叶内表皮细胞具有中央大液泡，与洋葱鳞片叶外表皮细胞相比，显微镜下观察到的质壁分离现象不明显。在配制好的蔗糖溶液里滴加红墨水，可能会稀释蔗糖溶液，教师应建议学生直接用含有红墨水的清水作为溶剂配制蔗糖溶液。对于活动可能出现的现象，教师需要预判并启发学生讨论可能的原因，例如：细胞全部被染红的原因可能是蔗糖溶液浓度太大或者处理时间过长，导致细胞过度失水，细胞膜失去了选择透过性等。

(3)观察其他植物细胞的质壁分离现象(第3课时)

综合实践活动强调运用学科知识认识、分析和解决现实问题，提升综合素质，着力发展学生学科核心素养，特别是社会责任感、创新精神和实践能力。

通过前两个课时的实验明确植物细胞质壁分离的结构特点，尝试从细胞大小和质壁分离时的合适细胞外液浓度等方面筛选其他材料并观察，应用于生产、生活实践。通过植物细胞失水的原理观察洋葱根尖的根毛区细胞，用蔗糖溶液模拟土壤溶液，分析盐碱地不适合植物生长的原因，阐述无土栽培时营养液浓度的限制问题，及农业、果林在不同湿度、不同温度下合理灌溉和施肥的问题。通过观察菠菜等植物的叶肉细胞叶绿体的分布情况判断质壁分离情况(图5)，模拟探究向植物直接喷洒溶液时的浓度范围。

图5

三、典型试题分析

【例题】某同学利用无色透明的洋葱鳞片叶内表皮细胞和加有伊红(植物细胞不吸收的红色染料)的0.3 g/mL的蔗糖溶液为材料按图6步骤进行了质壁分离和复原实验，回答下列问题。

图6

(1)甲→乙的实验过程中，判断细胞发生质壁分离现象的依据是________。

(2)在乙→丙的实验过程中，水分子的主要运动方向是从________(填“细胞外到细胞内”“细胞内到细胞外”或“不移动”)，在这个过程中，乙细胞的吸水能力________。水分子的这种移动过程称为________。

(3)正常情况下，图6乙中细胞的细胞液________(填“能”或“不能”)变色，原因是________。

【答案】(1)细胞壁与原生质层之间出现红色区域 (2)细胞外到细胞内 减弱 渗透作用 (3)不能 原生质层具有选择透过性，外界溶液中的伊红不能通过原生质层进入细胞液

【解析】本题是以在观察洋葱鳞片叶内表皮的实践活动为基础，考查学生对植物细胞的质壁分离和复原实验的理解和识记能力，深化渗透作用实质，应用相关知识综合解决问题的能力。甲是未做处理的细胞，乙是发生质壁分离的细胞，丙是质壁分离复原后的细胞图像。(1)甲→乙过程中，原生质层与细胞壁发生分离，细胞壁和细胞膜之间的液体是被染色的细胞外液，判断细胞发生质壁分离现象的依据是细胞壁与原生质层之间出现红色区域。(2)在宏观上，乙→丙是细胞通过渗透作用吸水复原的过程，水分子的运动方向是从溶液浓度低处(细胞外)流向溶液浓度高处(细胞液)。(3)正常情况下，图6乙中细胞的细胞液不能变色，原因是原生质层具有选择透过性，外界溶液中的伊红不能通过原生质层进入细胞液。

四、生物学科实验课程综合实践活动的反思