重构生物科学史，完善教材中植物向光生长的原理

于月超 胡玉勤

（山东省惠民县第一中学 山东滨州 251700）

植物向光性运动的解释存在两种假说，即经典的生长素分布不均匀学说和抑制物质分布不均匀学说。但至今人们仍然对这两种假说存在很多争论，尚待进一步的深入研究。人教版教材倾向于生长素分布不均匀学说的解释，但教材中的科学史实验并不足以完整的证明植物向光性的原因。为了更好地符合学生的逻辑思维和现代知识背景，笔者在教学中打破时间顺序重构科学史，并补充相应的实验补充，可以更好地阐明植物向光性产生的原因，使结论更加严谨，进而培养和提高学生的生物学学科核心素养。

1 教材分析

“植物生长素的发现”为高中生物学《选择性必修1·稳态与调节》第五章第一节“植物生长素”的第一课时，以植物的向光性现象为起点，并把向光性原因的解释作为最后的落脚点，层层深入地揭示了植物向光性是在生长素调节作用下产生的个体适应现象。第一节的主要内容包括：植物生长素的发现，植物激素的概念，生长素的合成、分布和运输以及生长素的生理作用。本节内容在结构体系上体现了人们对科学理论的认识过程和方法，是培养学生科学思维和科学探究的重要素材，更是历年高考的热点。

2 教学目标

①说出植物向光性的内、外因。

②解释生长素运输机制及与向光性的关系，进一步形成稳态与平衡观。

③运用科学探究的基本原理和方法，设计实验进行探究。

④参与植物向光性的讨论，作出理性解释和判断，尝试解决生产生活中的生物学问题。

⑤基于生长素发现过程实验的评价，感知科学探究的曲折，认同生物学家的贡献和价值。

3 教学过程

在从宏观的向光生长现象到微观的生长素物质的证明，再到生长素横向运输导致的分布不均匀导致的相关性生长，实质上也是对生长素概念的现象、实质和外延的一系列教学过程。教师依照这一思路进行概念教学，更容易帮助学生建构概念，更加有利于从简单到复杂、从直观到抽象的逻辑发展顺序，更好地发展学生的科学思维，加深其科学探究能力，也可以加深他们对过去实验方法的灵活运用，增强与时俱进、以史为鉴的社会责任意识。

3.1 植物向光性的直观展示和显微研究

教师提前4～5 d暗箱培养，用单侧光照射，获得明显的向光性生长植物。然后，向学生展示实验装置（图1），自然引入向光性原因的探究。同时，对植物放进暗箱的前后对比使学生认识到植物向光性的第一个原因即单侧光，以及植物向光生长的意义。

图1 土豆苗暗箱处理7天后

教师提出问题：植物为什么会向光生长呢？并进一步展示显微镜下向光侧和背光侧的细胞大小及数量的图片（图2），使学生明确：背光侧比向光侧生长的快导致植物向光弯曲生长，背光侧细胞要比向光侧细胞大而长。

图2 胚芽鞘向光侧和背光侧细胞模式图

学生思考导致植物两侧不同程度生长的原因。通过阅读教材及教师的引导，学生可以得出：感光部位为胚芽鞘尖端、发生弯曲的部位为胚芽鞘的下部，并且胚芽鞘尖端产生了某种“影响”。如此为下一个阶段的探索提供了基础。

设计意图：教师在对向光性研究中增添现代的显微观察，再介绍教材中达尔文的一系列实验，可以使学生更好地认识植物向光性现象，也可以增强学生利用相关仪器进行直接观察研究的意识。

3.2 化学物质的探索

教师引导学生思考：尖端产生了某种物质吗？如何去测定或者是提取这种物质呢?教师展示鲍森·詹森的实验，引导学生得出结论：尖端产生的影响可以透过琼脂片传递给下部。

接着，教师展示温特的实验：把切下的燕麦尖端放在琼脂上，再将经处理过的琼脂块放在切去尖端的燕麦胚芽鞘的一侧，结果胚芽鞘会朝对侧弯曲生长。但是，如果放置的是没有接触过胚芽鞘尖端的琼脂块，胚芽鞘则既不生长也不弯曲。由此温特的实验证明了胚芽鞘尖端产生的“影响”确实是一种化学物质。温特把这种物质命名为生长素。并提出问题：生长素的本质是什么？

教师展示资料：1931年，科学家首先从人尿中分离出具有生长素效应的化学物质——吲哚乙酸（IAA）。由于生长素在植物体内含量极少，直到1946年人们才从高等植物中分离出生长素，并确定它就是一种化学物质IAA。

设计意图：化学物质不能直观地观察到，就像酶、促胰液素等一样，一方面能够不依靠活细胞而进行转移，另一方面可以进行提纯结晶，最终确实的证明为是一种化学物质。对化学物质的反复证明也增强了学生思维的严谨性。

3.3 生长素分布不均匀导致植物的向光性生长

教师进一步引导学生思考：生长素如何导致植物的向光性生长？并展示拜尔的实验，引导学生得出：人为地使尖端不均匀分布也可以使得胚芽鞘弯曲生长。由此，学生根据实验现象，得出合理的假设：植物的向光性也可能是因为生长素的分布不均匀导致的。

教师追问：植物体中生长素为什么会分布不均匀呢？学生进一步提出假设：尖端受单侧光的影响，可能出现了横向运输，向光一侧生长素运向背光一侧，导致背光侧生长素多于向光一侧。并尝试设计实验进行证明（表1）。

表1 学生假设、设计并预测实验结果，得出结论

教师展示：Leopold等用C标记IAA，设计并实施试验，从而证明光能够刺激IAA从玉米胚芽鞘的向光侧向背光侧运输。教师引导学生讨论、得出：单侧光照射后，胚芽鞘尖端的生长素发生横向运输，使得胚芽鞘背光一侧的生长素多于向光一侧，因而引起两侧的生长不均匀，从而造成向光弯曲生长。

教师引导学生总结生长素与植物向光性的关系，完成从宏观到微观的生长素发现及概念的教学。最后，学生阅读教材中关于科学史的内容，进一步体会概念的得出与建构过程与科学实验史的关系。

4 教学总结

本节教学充分依据了论证式教学的严谨模式，也一步步地精细设计了生长素概念建构的过程，让学生充分地参与其中。教师呈现的资料既有教材中科学史的资料，又有现在相关实验的补充，从而使一个完整的科学概念建构过程呈现于学生脑海当中，使学生更好地理解生物学概念的科学严谨性。

教师适当打破原本植物生长素发现的历史顺序，遵循学生的思维逻辑顺序，先从细胞水平认识向光弯曲生长现象和原因，再引出是由一定的化学物质生长素引起的，进一步揭示出生长素的横向运输和不均匀分布，会更有利于学生逻辑思维的发展，促进学生用现代眼光去整体的认识科学史中的实验。对于科学史的教学，教师既要尊重科学发展的艰辛和科学精神教育，也要适当注意引导学生应用现代技术去证实和验证，以达到提升学生的科学思维和科学探究等生物学学科核心素养的目的。