设计实验教学过程 提升学生科学思维和实验探究能力

桂芳　秦凡

关键词：设计实验教学；科学思维；科学探究能力

文童编号：1003-7586（2024）01-0048-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

科学思维和科学探究是高考评价体系的“四层”中生物学科“学科素养”中的2项重要内容；实验探究能力也是高考评价体系的“四层”中生物学科“关键能力”之一。生物实验课是探究生物知识的重要途径，开好生物实验课可以调动学生学习积极性，激发学生学习兴趣，培养学生操作和思维能力，形成实事求是的科学态度和团结协作的精神。实验教学设计是课堂实验探究的主要载体，生物学必修1（人教版）第4章第1节“被动运输”的第1课时中的“探究·实践”部分，即“探究植物细胞的吸水和失水”这个内容，如果老师进行合理地设计和引导，运用学生先探究后实践、在实践中再探究的模式，不仅可以强调基本知识、基本方法和基本规律，还可以引导学生自主探究和拓展创新，从而考查学生的生物实验基本技能，训练学生的科学思维，提升学生的科学探究及实验探究能力。

1吃透教材，确定教学目标和教学设计思路

1.1教材分析

教材中关于“被动运输”内容的编写，不管是哺乳动物红的细胞还是成熟植物细胞，都在引导学生确定“半透膜”在哪里，然后再分析“半透膜”两侧存在浓度差会怎样。其目的是期望学生在动植物细胞中找到“渗透装置”。基于这样的考虑，教材提出了原生质层的概念，虽然原生质层不是被普遍接受的术语，但用在此处能言简意赅地说明成熟植物细胞可以构成一个渗透系统。所以学生要先构建“原生质层”这一概念，为后续实验“探究植物细胞的吸水和失水”奠定基础。

1.2教学目的

1.2.1知识目标

（1）构建扩散、渗透作用和原生质层的概念。

（2）用哺乳动物的红细胞膜和成熟植物细胞的原生质层类比半透膜，说明细胞通过渗透作用吸水或失水，阐明原生质层的选择透过性与质壁分离及其复原的关系，并为后面构建被动运输的概念奠定良好基础。

1.2.2素养目标

（1）生命观念——基于渗透作用发生的条件，利用结构与功能观，验证动物细胞和探究植物细胞中的“渗透装置”。

（2）科学思维——利用类比推理的方法分析细胞的“渗透装置”；基于假设成立的基础进行分析推理，进而预测实验结果。

（3）科学探究——通过“探究植物细胞的吸水和失水”这个实验，让学生体验和领悟科学探究的一般过程和方法，提高科学探究能力。

1.2.3能力目标

实验探究能力——通过“探究植物细胞的吸水和失水”这个实验，提高实验探究和设计能力。

1.3教学设计思路

如图1所示。

2具体教学实施程序

2.1构建扩散和渗透作用的概念，说明水进出细胞的原理

情境创设——渗透作用现象的微课

2.1.1提出问题

水分子通过细胞膜进出细胞也是同样的原理吗？细胞膜相当于一层半透膜吗？

如果我们的回答是肯定的，那么只要把动物细胞放入浓度高于或者低于细胞质浓度的外界溶液中，动物细胞与外界溶液之间就能形成一个渗透装置，进而发生失水或者吸水。根据这样的假设和推理分析，我们可以做实验来验证。

2.1.2实验验证——水进出哺乳动物红细胞的微课

实验证明动物细胞的失水和吸水原理就是渗透作用。那么植物细胞呢？它们的吸水和失水原理跟动物细胞相同吗？我们可以先观看一个生活中的做菜视频，应该能给出一定的答案。

设计意图：生物学知识的获取可以来源于生活实践，更能服务于生活实践。通过“水进出哺乳动物红细胞”的微课，引导学生对植物细胞获取水分的原理进行思考，并结合生活实践体会，有利于帮助学生提高热爱生活、珍爱生命、热爱自然、崇尚科学的意识，进一步增加学生的求知欲望。

2.2探究植物细胞的吸水和失水

情境创设——腌萝卜视频

萝卜在浓盐水中失水，让我们不禁猜测植物细胞应该也是发生了渗透作用。如果这个猜测是对的，那么植物细胞中的渗透装置又在哪里呢？植物细胞结构与动物细胞结构一样吗？

结构认知——成熟植物细胞结构的微课

通过微课可以了解植物细胞结构往往比动物细胞复杂。对于成熟的植物细胞來说，由于液泡储存了大量的水使得液泡膜和细胞膜之间的间隙非常小，在研究植物细胞吸水和失水时，我们可以将植物细胞简化成“液泡一原生质层一细胞外”这样一个结构。基于这样的认知，我们可以提出问题并大胆假设。

2.2.1提出问题

水分进出植物细胞是否也是通过渗透作用？结合植物细胞模式图，思考原生质层相当于一层“半透膜”吗？

2.2.2做出假设

水分进出植物细胞是通过渗透作用，原生质层相当于一层“半透膜”。

2.2.3演绎推理

如果原生质层相当于一层“半透膜”，那么当外界溶液浓度高于细胞液浓度时，细胞就会失水；当外界溶液低于细胞液浓度时，细胞就会吸水。

设计意图：启发学生通过结构认知，获取有效信息，调用储备的知识，回忆探究性实验的一般过程；引导学生思考，提出问题与假设，并进行思维建模和演绎推理，明确实验目的，提升学生的科学探究能力。

2.2.4实验设计思路

（1）选择合适材料。

外界溶液的溶度可以人为控制，这时最关键的就是寻找一个合适的观察指标，用于确认细胞的失水和吸水。结合植物细胞的模式图思考，选择什么样的植物细胞合适？紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞满足上述观察指标的要求，因为它的液泡中含有紫色的色素，失水后色素浓度会增大，紫色加深，范围变小；吸水后色素浓度会降低，紫色变淡，范围变大。

深度思考：是否可以选择使用其他有颜色的植物细胞？请举例？如果选用没有颜色的成熟植物细胞（例如洋葱鳞片叶内表皮细胞），该如何处理？（可同时做实验对比验证）

（2）拟定重要实验步骤。

①如何创设细胞外界高浓度溶液条件？滴加0.3g/mL的蔗糖溶液（联系凉拌西红柿的操作过程），观察植物细胞的失水。

深度思考：蔗糖浓度能更高吗？会有什么结果？（可同时做实验对比验证）

②如何创设细胞外界低浓度溶液条件？加清水稀释蔗糖溶液，观察植物细胞的吸水。

③确定观察对象或指标。

植物细胞在失水和吸水过程中哪些细胞结构会发生明显的变化？能否设计表格（如表1）记录和比较（提示：细胞大小、原生质层的位置、液泡颜色、液泡大小等）？

结合“原生质层的位置”的预测描述，提出质壁分离及质壁分离复原的说法。

深度思考：以上设计的实验步骤是运用了什么对照方法？自变量是什么？最主要的因变量是什么？

2.2.5制订实验步骤

如图2所示。

设计意图：在选材、步骤、观察指标的确定及深度思考问题串的设置中，引导学生提出困难或疑问，理解实验步骤的设计原理，然后集中问题进行自主讨论、展示探究方案。学生勇于领取任务，体验了科学探究的方法和一般过程，提升了科学探究能力，进行了科学探究思维建模。培养学生的区域认知和提升学生的科学思维。

2.2.6实验拓展与预测

（1）材料的思考——还可以选择哪些有顏色的成熟植物细胞？请举例。如果选用没有颜色的成熟植物细胞（例如洋葱内表皮细胞），该如何处理？并进行实验的预测（见表2）。

（2）溶液浓度的思考——蔗糖浓度的改变（过低或者过高）会影响实验的结果吗？预测实验结果。

（3）溶液种类的思考——可以选择其他溶液（例如0.06g/mL的硝酸钾溶液、2.5%的NaCl溶液、0.5g/mL的葡萄糖溶液）做该实验吗？会有什么不同的结果？请依照表2进一步完善记录表格，进行实验结果的预测。

这些结果都是基于假设成立下的理论分析和推理，真正的实验结果还需要去实验室进一步探究，从而验证假设是否正确，进而理解植物细胞的失水和吸水原理，更一步学习水分跨膜的运输方式及特点。

设计意图：继续设置问题串，将实验进行拓展，发散学生思维，激发学生进行实验的兴趣和欲望，为第二课时更好地探究和实验做好铺垫。从微专题探究实验出发，以小见大，帮助学生进阶，进一步落实核心素养。同时，表格的设计可以锻炼学生科学处理和分析数据的能力。

2.2.7小结探究实验的一般流程

2.2.8实施实验过程

课堂中采取小组合作、自主探究的模式，小组各成员分工合作，根据实验方案进行自主探究。教师巡视学生做实验的情况，适时指导，及时评价鼓励。与此同时，教师还要指导学生客观记录实验现象和填写设计的表格，引导学生分析结果，得到实验结论。最后再进行表达和交流，并生成新的探究。例如：参考这个实验方案，能否设计实验，测定该细胞细胞液的浓度相当于多少质量分数的蔗糖溶液，写出大致的实验思路并进一步探究。

设计意图：小组合作的形式能够锻炼学生团结协作的能力，培养学生团结协作的意识以及人际交往的能力，促进学生共同发展。将探究活动的主动权交给学生，以提高实验教学的有效性，先探究后实践、在实践中再探究，树立大科学观，培养学生实事求是的科学态度、良好的学习习惯，提高其科学素养和关键能力。

3基于提升创新能力和生物学科素养的教学反思

本节课还存在值得商榷的地方：设计探究后实践、在实践中再探究的实验教学过程至少需要2课时，而“被动运输”这整节内容参考课时是2课时，所以在实施过程中会有课时的限制和约束，有可能缺乏推广性；在材料选择与某些实验步骤设计上还可以做些改良，期望学生有更大的收获，使学生对探究实验设计有更浓厚的兴趣，创新能力有所提升，生物学科素养等得到更有效地培养和提升。