基于科研思维培养的植物水分运输的教学设计

倪 郁

（西南大学 农学与生物科技学院，重庆 400715）

引言

植物生理学是研究植物生命活动规律及其与外界环境关系的学科，是高等学校植物科学与技术、农学、园艺、植物保护等植物生产类专业的重要课程，在基础课程与专业课程之间起着承上启下的作用。目前，涉农专业“植物生理学”教学中普遍存在着注重基础理论知识讲解而忽视培养学生科研思维的现象。科研思维贯穿科研活动的整个过程，包括提出科学问题、根据问题构建科学假说、根据假说设计实验思路、实施实验后分析实验结果、根据实验结果调整甚至再构建科学假说。实施探究式教学可以使学生在课堂中了解科学研究的过程，促进学生主动思考与自主学习，有助于培养学生的科学探究能力。本文结合笔者多年来的“植物生理学”理论教学实践，针对高等院校农学专业的学生，以科研思维融入植物体内水分运输为例提出教学设计，以期为提高“植物生理学”教学质量提供参考。

一、课程目标与专业培养目标的关系

（一）课程目标

植物生理学是一门研究植物生命活动规律及其与环境相互关系的科学。植物生命活动是在水分代谢、矿质营养、光合作用和呼吸作用等基本代谢基础上，表现出种子萌发、生长、运动、开花、结果等生长发育过程。通过“植物生理学”教学，要求学生掌握植物生理学的基础理论、研究技术及其与农业现代化的关系；熟悉植物生理学常用技术的应用，善于在生产实践、科学研究中发现问题、分析问题，并利用植物生理学理论与技术解决问题。

（二）专业培养目标

西南大学农学专业坚持“基于综合、立于专业、归于个性”的人才培养理念，以学生自主学习能力和综合素质培养为中心，培养德智体美劳全面发展，具有深厚的人文底蕴与自然科学基础、扎实的专业知识和实践能力及宽广的国际视野，胜任现代农业、农业生物技术及其相关领域教学科研、技术推广、经营管理等工作的高素质复合型人才与拔尖创新型人才。

（三）课程目标与专业培养目标的关系

从专业培养目标来看，要实现作物健康生产，掌握课程目标中的植物生命活动的基本规律是基础，两个目标是一致的。此外，“植物生理学”课程的开设使农学专业学生具备了今后从事农业生产类岗位所需要的植物生长发育及生理过程等相关知识，以及识别判断生长发育情况等方面的技能，以便解决生产中的实际问题。

二、教学理念与授课对象分析

（一）教学理念

在学生掌握基本理论知识的前提下，注重学生思维启迪和学生主体作用的发挥。综合运用问题情景式、启发式、探究式等教学方法，使学生全程参与观察、提问、假设、实验、推理、验证、解释等活动过程，从而提高学生的科学研究能力，激发学生探索植物生命活动规律的欲望。

（二）授课对象分析

本课程的授课对象主要是大二学生。在知识基础方面，通过大一植物学的学习，学生已了解植物细胞、组织的结构和特征；已掌握被子植物根、茎、叶等各器官的形态结构与生理功能。在认知能力方面，大二学生具有一定的自主学习能力，通过教师的点拨，能够用所学的基本理论知识分析、讨论实验结果。在学习动机方面，学生对新事物的好奇心很强，对科研充满热情，渴望得到他人的认可，从而促使自己不断探索、思考、学习新知识。在学习风格方面，学生喜欢通过动手和实践操作进行学习和探索。

授课对象存在的问题：一些学生缺乏良好的学习习惯和学习方法，表现为不知道如何支配学习时间，如何建立专业知识结构、培养专业技能。部分学生对自己的大学生涯缺乏规划，缺少明确的奋斗目标，表现为经常不按照教师的要求完成课后学习，缺乏学习的自主性。一些调剂到农学专业的学生，心理落差大，缺乏学习动力。

结合学习者特征分析结果，在教学过程中应重视对学生学习习惯和方法的训练，在课程讲授中减少纯文字表述，多穿插实验相关图片、图表，使学生感受“发现—分析—提出假说—验证—归纳”的研究过程，促使学生掌握相关的科学研究方法。通过分析案例，引导学生大胆假设、小心求证、科学表达，以提高学生的科研能力。植物生理学是一门建立在生产实践和科学实验基础上的学科，其基本知识点、重要机理产生于实践和实验，因此，在讲授过程中要注意知识扩展和理论联系实际，让学生知道作物的栽培管理方法都是在植物生命活动规律的基础上提出的。在学习过程中，学生通过观察、比较、讨论和体验探究等方法，在教师的引导下，是可以完成学习目标的。

三、具体教学过程设计

（一）学习目标

在知识方面，熟悉水分在植物体中的运输途径，理解并掌握水分在植物体中的运输动力与机制；在能力方面，培养学生的实验设计能力和逻辑推理能力，能够运用有关植物吸水与运输水的知识，解释生活和生产中的相关现象，知道保持作物的水分平衡策略；在素质方面，培养学生的科学探究精神，使学生掌握一般的科学研究方法，关注生产中的合理灌溉，关注我国节水农业发展。

（二）学习内容与任务

本节课的相关知识（水势以及植物对水分的吸收、运输、蒸腾作用等）与生产实践联系紧密，学生通过对前面知识的学习，已经对水分进出细胞、根系吸水等知识基础，以及对水分的吸收与运输储备具有一定的认识。在此基础上，本节课将讲述水分如何从根系进入木质部导管，又如何在导管中连续不断地向上运输到植物体的各个部位。在讲课过程中将引入相关科学实验，引导学生通过观察、比较、讨论和体验探究等方法，最终理解、掌握水分在植物体中的运输机制。

（三）课堂导入

通过展示回顾Van Helmont柳树盆栽实验图片，引出水对植物生长的重要性，使学生思考农业生产中“有收无收在于水”是否具有科学依据，进而复习水分在植物生命活动中的具体作用；通过图片展示，以高达百米的桉树为例，引导学生思考植物从根系吸收的水分是如何向上运输以满足植物生长需求，进一步提出水分被运输到了哪里。通过以上问题，引出本节内容——植物体内水分的运输。

通过层层递进引导式提问，使学生建立水分生理与作物生产、国家粮油安全的联系；同时调动学生的思维与兴趣，开阔思维空间，使学生尽快融入共同学习的氛围中。

（四）土壤、植物、大气中的水势关系

从一个问题“水分移动与水势的关系”和一张水分在土壤、植物、大气中的水势数据图，指出土壤、植物、大气之间存在水势梯度，水分在植物体中顺水势梯度移动；然后指出水分从土壤→根→茎→叶/花/果→大气的一般运输路线；最终明确植物一般通过根系从土壤中获得水分，通过叶片等向大气散失水分。通过图片与数据展示，使学生了解为什么植物从土壤中获取水分、向大气散失水分。

（五）水分在植物体内的运输途径

结合图片展示水分运输途径：土壤水分→根毛→皮层→内皮层→根的中柱鞘→根的导管→茎的导管→叶脉导管→叶肉细胞→气孔下腔→气孔→大气。在此基础上引导学生思考：是什么力量在推动水分从土壤进入根系，又是什么力量促使水分从根部向各组织器官进行运输。

通过图片展示，使学生了解水分在植物体内的运输途径；通过提问使学生带着问题继续学习，以疑引新。

（六）水分在植物体内的运输机制

结合图片讲解水分从根毛到木质部导管的短距离运输途径：土壤水分→根毛→皮层→内皮层→根的中柱鞘→木质部导管；进一步结合图片讲解短距离运输的具体运输路径——质外体途径与共质体途径，并通过展示凯氏带增厚解读两条途径的联系。提问并讲解：（1）水分从根毛运输到木质部导管的动力是什么，和水势梯度有关吗，水势梯度如何形成。引出根压概念，并进行讲解。（2）如何证明根压的存在？图片展示植物吐水、伤流现象。（3）根压能够支持水分向上运输到各个组织器官吗。引出毛细管作用与内聚力-张力学说，并进行讲解。（4）如何证明植物体内存在张力。图片演示支持内聚力-张力学说的实验证据（剪断叶柄实验）。

通过讲解、提问、质疑，由易到难，逐渐深入，引出根压作用、毛细管作用、内聚力-张力学说，使学生充分理解水分运输机制，掌握教学重点和难点。

（七）水分运输机制研究案例

针对科学问题“白天与夜间树干直径的变化能否支持内聚力-张力学说”，引导学生提出科学假设：在蒸腾作用进行时，木质部有足够的张力使树干轻微收缩。现场用吸管吸果汁进行演示，通过吸力使杯体向内收缩引导学生思考蒸腾拉力的作用。在学生提出假设后，课堂分组讨论实验方案，教师点评实验方案，并强调科学实验中设置对照与生物学重复的重要性。在此基础上，以图片、图表方式展示科学实验过程与实验结果，引导学生对实验结果进行分析，最终得出结论。

在与学生的互动中，通过提问使学生思考、讨论张力从何而来，蒸腾拉力是否存在，如何证明其存在。通过模拟实验过程，归纳总结实验结论；通过问题讨论，使学生感受“发现—分析—提出假设—验证—归纳”的研究过程，培养学生的科学探究精神；通过实验分析，引导学生自主探究性学习，提高学生分析和解决实际问题的能力。

通过以上研究案例，使学生了解一般的科学研究方法与过程，在此基础上提出科学问题：白天与夜间叶组织水势的变化能否支持蒸腾流-内聚力-张力学说。在图片展示压力室仪测植物叶片水势原理后，组织学生以组为单位独立完成“提出假设—验证—归纳”的研究过程，教师点评，促使学生深刻理解水分运输机制，掌握一般的科学研究方法。

（八）知识拓展与课堂小结

水分从植物根系向上运输是植物体的普遍现象，那么有没有水分是从植株上部向下部进行运输的呢？从一个问题引出水分运输的科学研究进展——荒漠植物适应干旱的水分收集和运输新模式，介绍荒漠植物“由上至下”的水分吸收模式。通过解读文献，引导学生自主探究性学习，进一步深化理解水分运输机制，了解科学新进展，使知识向广度、深度延伸。

总结归纳知识点：在土壤、植物、大气连续体中，水分顺水势梯度转移；水分在植物体内的运输途径；水分运输机制的内聚力-张力学说。提出问题：植物一方面不断地从环境中吸收水分，满足其正常生命活动的需要；另一方面又不可避免地将体内的大量水分散失到空气中，那么植物究竟如何保持体内水分平衡呢？通过归纳总结，使学生牢固掌握知识点；通过问题延伸，给予学生思考、自主学习的空间。

（九）课后学习任务

布置本节三个思考题：（1）高大树木导管中的水柱为何可以连续不断；假如某部分导管中水柱中断，树木顶部叶片还能不能得到水分，为什么。（2）蒸腾作用进行时植物体内是否存在张力，张力是如何产生的。（3）为什么天然的小草在大晴天也不会变热，而操场的人造草坪却能烫得你难以“立足”。

围绕节水农业布置调查报告，要求以小组为单位下次课进行课堂展示汇报。

结合本专业特点推荐阅读文献2篇。

学生通过思考题练习巩固，检查自己的知识掌握情况；通过课外阅读继续学习、扩展知识面；小组合作完成我国节水农业发展相关的选题与报告，加深对植物高效用水的潜力认识及发展节水农业的必要性与措施等，培养团队协作能力与自主学习能力。

四、学习评价与板书设计

学习评价强调过程性考核，重点评价学习互动等表现，使过程性考核作为推动学生在课堂上认真学习的重要推手。测试形式包括课堂提问、参与讨论、书面作业、展示汇报；以小组的形式完成课堂讨论，归纳结果、得出结论。

板书设计如图1所示。围绕教学目标，将讲解内容进行综合、归纳，分别写出植物体内水分的运输方向、途径、机制，突出重点。

图1 课程板书设计

良好的科研思维是科研创新的基础。“植物生理学”课堂实施启发式、探究式教学，可以有效启迪学生科研思维，激发学生探索植物生命活动规律的兴趣，提高学生的科学研究与创新能力。