設計實驗教學過程　提升學生科學思維和實驗探究能力

桂芳　秦凡

關鍵詞：設計實驗教學；科學思維；科學探究能力

文童編號：1003-7586（2024）01-0048-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

科學思維和科學探究是高考評價體系的“四層”中生物學科“學科素養”中的2項重要內容；實驗探究能力也是高考評價體系的“四層”中生物學科“關鍵能力”之一。生物實驗課是探究生物知識的重要途徑，開好生物實驗課可以調動學生學習積極性，激發學生學習興趣，培養學生操作和思維能力，形成實事求是的科學態度和團結協作的精神。實驗教學設計是課堂實驗探究的主要載體，生物學必修1（人教版）第4章第1節“被動運輸”的第1課時中的“探究·實踐”部分，即“探究植物細胞的吸水和失水”這個內容，如果老師進行合理地設計和引導，運用學生先探究后實踐、在實踐中再探究的模式，不僅可以強調基本知識、基本方法和基本規律，還可以引導學生自主探究和拓展創新，從而考查學生的生物實驗基本技能，訓練學生的科學思維，提升學生的科學探究及實驗探究能力。

1吃透教材，確定教學目標和教學設計思路

1.1教材分析

教材中關于“被動運輸”內容的編寫，不管是哺乳動物紅的細胞還是成熟植物細胞，都在引導學生確定“半透膜”在哪里，然后再分析“半透膜”兩側存在濃度差會怎樣。其目的是期望學生在動植物細胞中找到“滲透裝置”?；谶@樣的考慮，教材提出了原生質層的概念，雖然原生質層不是被普遍接受的術語，但用在此處能言簡意賅地說明成熟植物細胞可以構成一個滲透系統。所以學生要先構建“原生質層”這一概念，為后續實驗“探究植物細胞的吸水和失水”奠定基礎。

1.2教學目的

1.2.1知識目標

（1）構建擴散、滲透作用和原生質層的概念。

（2）用哺乳動物的紅細胞膜和成熟植物細胞的原生質層類比半透膜，說明細胞通過滲透作用吸水或失水，闡明原生質層的選擇透過性與質壁分離及其復原的關系，并為后面構建被動運輸的概念奠定良好基礎。

1.2.2素養目標

（1）生命觀念——基于滲透作用發生的條件，利用結構與功能觀，驗證動物細胞和探究植物細胞中的“滲透裝置”。

（2）科學思維——利用類比推理的方法分析細胞的“滲透裝置”；基于假設成立的基礎進行分析推理，進而預測實驗結果。

（3）科學探究——通過“探究植物細胞的吸水和失水”這個實驗，讓學生體驗和領悟科學探究的一般過程和方法，提高科學探究能力。

1.2.3能力目標

實驗探究能力——通過“探究植物細胞的吸水和失水”這個實驗，提高實驗探究和設計能力。

1.3教學設計思路

如圖1所示。

2具體教學實施程序

2.1構建擴散和滲透作用的概念，說明水進出細胞的原理

情境創設——滲透作用現象的微課

2.1.1提出問題

水分子通過細胞膜進出細胞也是同樣的原理嗎？細胞膜相當于一層半透膜嗎？

如果我們的回答是肯定的，那么只要把動物細胞放入濃度高于或者低于細胞質濃度的外界溶液中，動物細胞與外界溶液之間就能形成一個滲透裝置，進而發生失水或者吸水。根據這樣的假設和推理分析，我們可以做實驗來驗證。

2.1.2實驗驗證——水進出哺乳動物紅細胞的微課

實驗證明動物細胞的失水和吸水原理就是滲透作用。那么植物細胞呢？它們的吸水和失水原理跟動物細胞相同嗎？我們可以先觀看一個生活中的做菜視頻，應該能給出一定的答案。

設計意圖：生物學知識的獲取可以來源于生活實踐，更能服務于生活實踐。通過“水進出哺乳動物紅細胞”的微課，引導學生對植物細胞獲取水分的原理進行思考，并結合生活實踐體會，有利于幫助學生提高熱愛生活、珍愛生命、熱愛自然、崇尚科學的意識，進一步增加學生的求知欲望。

2.2探究植物細胞的吸水和失水

情境創設——腌蘿卜視頻

蘿卜在濃鹽水中失水，讓我們不禁猜測植物細胞應該也是發生了滲透作用。如果這個猜測是對的，那么植物細胞中的滲透裝置又在哪里呢？植物細胞結構與動物細胞結構一樣嗎？

結構認知——成熟植物細胞結構的微課

通過微課可以了解植物細胞結構往往比動物細胞復雜。對于成熟的植物細胞來說，由于液泡儲存了大量的水使得液泡膜和細胞膜之間的間隙非常小，在研究植物細胞吸水和失水時，我們可以將植物細胞簡化成“液泡一原生質層一細胞外”這樣一個結構?；谶@樣的認知，我們可以提出問題并大膽假設。

2.2.1提出問題

水分進出植物細胞是否也是通過滲透作用？結合植物細胞模式圖，思考原生質層相當于一層“半透膜”嗎？

2.2.2做出假設

水分進出植物細胞是通過滲透作用，原生質層相當于一層“半透膜”。

2.2.3演繹推理

如果原生質層相當于一層“半透膜”，那么當外界溶液濃度高于細胞液濃度時，細胞就會失水；當外界溶液低于細胞液濃度時，細胞就會吸水。

設計意圖：啟發學生通過結構認知，獲取有效信息，調用儲備的知識，回憶探究性實驗的一般過程；引導學生思考，提出問題與假設，并進行思維建模和演繹推理，明確實驗目的，提升學生的科學探究能力。

2.2.4實驗設計思路

（1）選擇合適材料。

外界溶液的溶度可以人為控制，這時最關鍵的就是尋找一個合適的觀察指標，用于確認細胞的失水和吸水。結合植物細胞的模式圖思考，選擇什么樣的植物細胞合適？紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞滿足上述觀察指標的要求，因為它的液泡中含有紫色的色素，失水后色素濃度會增大，紫色加深，范圍變??；吸水后色素濃度會降低，紫色變淡，范圍變大。

深度思考：是否可以選擇使用其他有顏色的植物細胞？請舉例？如果選用沒有顏色的成熟植物細胞（例如洋蔥鱗片葉內表皮細胞），該如何處理？（可同時做實驗對比驗證）

（2）擬定重要實驗步驟。

①如何創設細胞外界高濃度溶液條件？滴加0.3g/mL的蔗糖溶液（聯系涼拌西紅柿的操作過程），觀察植物細胞的失水。

深度思考：蔗糖濃度能更高嗎？會有什么結果？（可同時做實驗對比驗證）

②如何創設細胞外界低濃度溶液條件？加清水稀釋蔗糖溶液，觀察植物細胞的吸水。

③確定觀察對象或指標。

植物細胞在失水和吸水過程中哪些細胞結構會發生明顯的變化？能否設計表格（如表1）記錄和比較（提示：細胞大小、原生質層的位置、液泡顏色、液泡大小等）？

結合“原生質層的位置”的預測描述，提出質壁分離及質壁分離復原的說法。

深度思考：以上設計的實驗步驟是運用了什么對照方法？自變量是什么？最主要的因變量是什么？

2.2.5制訂實驗步驟

如圖2所示。

設計意圖：在選材、步驟、觀察指標的確定及深度思考問題串的設置中，引導學生提出困難或疑問，理解實驗步驟的設計原理，然后集中問題進行自主討論、展示探究方案。學生勇于領取任務，體驗了科學探究的方法和一般過程，提升了科學探究能力，進行了科學探究思維建模。培養學生的區域認知和提升學生的科學思維。

2.2.6實驗拓展與預測

（1）材料的思考——還可以選擇哪些有顏色的成熟植物細胞？請舉例。如果選用沒有顏色的成熟植物細胞（例如洋蔥內表皮細胞），該如何處理？并進行實驗的預測（見表2）。

（2）溶液濃度的思考——蔗糖濃度的改變（過低或者過高）會影響實驗的結果嗎？預測實驗結果。

（3）溶液種類的思考——可以選擇其他溶液（例如0.06g/mL的硝酸鉀溶液、2.5%的NaCl溶液、0.5g/mL的葡萄糖溶液）做該實驗嗎？會有什么不同的結果？請依照表2進一步完善記錄表格，進行實驗結果的預測。

這些結果都是基于假設成立下的理論分析和推理，真正的實驗結果還需要去實驗室進一步探究，從而驗證假設是否正確，進而理解植物細胞的失水和吸水原理，更一步學習水分跨膜的運輸方式及特點。

設計意圖：繼續設置問題串，將實驗進行拓展，發散學生思維，激發學生進行實驗的興趣和欲望，為第二課時更好地探究和實驗做好鋪墊。從微專題探究實驗出發，以小見大，幫助學生進階，進一步落實核心素養。同時，表格的設計可以鍛煉學生科學處理和分析數據的能力。

2.2.7小結探究實驗的一般流程

2.2.8實施實驗過程

課堂中采取小組合作、自主探究的模式，小組各成員分工合作，根據實驗方案進行自主探究。教師巡視學生做實驗的情況，適時指導，及時評價鼓勵。與此同時，教師還要指導學生客觀記錄實驗現象和填寫設計的表格，引導學生分析結果，得到實驗結論。最后再進行表達和交流，并生成新的探究。例如：參考這個實驗方案，能否設計實驗，測定該細胞細胞液的濃度相當于多少質量分數的蔗糖溶液，寫出大致的實驗思路并進一步探究。

設計意圖：小組合作的形式能夠鍛煉學生團結協作的能力，培養學生團結協作的意識以及人際交往的能力，促進學生共同發展。將探究活動的主動權交給學生，以提高實驗教學的有效性，先探究后實踐、在實踐中再探究，樹立大科學觀，培養學生實事求是的科學態度、良好的學習習慣，提高其科學素養和關鍵能力。

3基于提升創新能力和生物學科素養的教學反思

本節課還存在值得商榷的地方：設計探究后實踐、在實踐中再探究的實驗教學過程至少需要2課時，而“被動運輸”這整節內容參考課時是2課時，所以在實施過程中會有課時的限制和約束，有可能缺乏推廣性；在材料選擇與某些實驗步驟設計上還可以做些改良，期望學生有更大的收獲，使學生對探究實驗設計有更濃厚的興趣，創新能力有所提升，生物學科素養等得到更有效地培養和提升。