高中生物拓展性实验的教学设计与实施

李桂梅

[摘   要]以“植物细胞的吸水和失水”拓展性实验的教学实践为例，介绍开展高中生物拓展性实验教学的设计思路和实践过程：引导学生提出新的探究课题，尝试实验设计、实验操作和实验结果分析，以及反思实验中出现的问题。通过拓展性实验教学活动的开展，深化学生对教材实验的理解，培养学生的科学思维、探究能力等学科核心素养。

[关键词]拓展性实验;教学设计;学科核心素养;植物细胞;吸水;失水

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）02-0081-02

实验教学是生物学科达成课程目标的重要手段，也是学生最感兴趣的教学内容之一。有限的教材实验不足以满足学生强烈的探究欲望。因此，笔者在教学实践中，与学校的校本课相结合，面向热爱生物学科的学生，开设了以教材实验为基础、以拓展性实验为内容的实验校本课，引导学生运用所学的生物学实验方法和原理，开展新的探究，实现知识迁移。拓展性实验的开展给学生提供了自主探究的机会，有利于培养学生的发散性思维和动手能力，提高学生的创新精神和科学素养。同时，能促进学生对教材实验的深入理解和牢固掌握。

“植物细胞的吸水和失水”是人教版高中生物必修1第四章第一节中的实验，也是人教版高中生物教材中的第一个探究性实验。该拓展性实验的开展，旨在训练和强化学生对探究性实验各个基本环节的理解和掌握。下面笔者以“植物細胞的吸水和失水”的拓展性实验教学为例，谈谈拓展性实验教学的基本过程。

一、 教学过程

1.提出实验课题

在教材实验的基础上，教师首先利用问题启发法引导学生尝试提出新的实验课题，然后从中选定几个有探究价值且可行性高的课题（如课题一、课题二和课题三），最后建立课题小组，引导学生小组合作探究。

课题一：探究校园中可用于做“植物细胞的吸水和失水”实验的优良选材。

课题二：比较几种实验材料的细胞液浓度大小。

课题三：探究洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液浓度。

2.制订实验方案

各课题小组利用课上和课后时间查阅资料，尝试制订实验方案。课题组组长汇报实验设计方案，师生集体讨论，提出意见和建议。课题组内部进行二次讨论，完善实验设计方案。

课题一：探究校园中可用于做“植物细胞的吸水和失水”实验的优良选材。

教材实验之所以选择紫色的洋葱鳞片叶作为实验材料，是因为其细胞中有紫色大液泡，便于观察。校园中的各种鲜花花瓣的表皮细胞也有此优点，也可作为优良的实验替代性材料。撕取不同品种鲜花花瓣的表皮细胞（选取的鲜花有红色月季花、黄色三色堇、粉色牵牛花和红色茶花），采用教材实验的处理方式，观察比较细胞质壁分离的效果。

课题二：比较几种实验材料的细胞液浓度大小。

根据植物细胞吸水和失水的原理，采用教材实验的处理方式，将几种实验材料（用第一课题小组选出的优良选材和洋葱鳞片叶）的表皮细胞同时浸润在0.3 g/mL的蔗糖溶液中，观察比较各选材的细胞开始发生质壁分离的时间和质壁分离的程度，判断不同实验材料的细胞液浓度大小。

课题三：探究洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液浓度。

根据植物细胞吸水与失水的原理，找出洋葱鳞片叶外表皮细胞的等渗溶液。在0～0.3 g/mL范围内设置5个蔗糖溶液浓度梯度（0 g/mL、 0.05 g/mL、0.1 g/mL、0.2 g/mL、0.3 g/mL），在同一片洋葱鳞片叶上的相同部位撕取5片外表皮，将它们同时浸润在不同浓度的蔗糖溶液中持续相同的时间，制作临时装片，观察外表皮细胞质壁分离的状态。

师生的意见和建议：（1）课题一的实验和教材实验为定性实验，而课题二和课题三的实验中有量的比较，不适合采用教材实验的处理方式，因为可能会造成细胞外蔗糖溶液浓度的变化。为排除干扰，课题二的实验可改为先用清水制作临时装片，观察细胞的正常状态，然后擦去清水，再用蔗糖溶液做临时装片，观察细胞的质壁分离情况。（2）由于外界溶液浓度越小，质壁分离速度越慢，因此课题三实验的观察时间应比教材实验更长。（3）由于渗透压与溶液中溶质分子的多少有关，因此课题三实验得出的等渗蔗糖溶液浓度范围应换算成物质的量浓度。

3.准备实验材料，进行实验操作

各课题小组提前列出所需器材、试剂和材料，并于课前在教师和实验师的协助下准备好。校本实验课时，各课题小组进入实验室进行具体实验操作，教师和实验师协助指导。

（注：由于第二课题组需要第一组课题的实验结果，所以第一、第二课题组合并探究。）

4.展示实验结果，总结实验结论

各课题小组的实验结果和实验结论汇报如下：

第一课题组：茶花和牵牛花的花瓣太嫩，撕取表皮困难，要么损坏细胞，要么撕取太厚，不适合做实验替代性材料。月季和三色堇花瓣表皮较易撕取，且能发生明显的质壁分离现象（如图1至图4），可作为实验替代性材料。但撕取的月季花瓣表皮易卷曲，较难展开做装片。因此，较好的实验替代性材料是三色堇花瓣。

第二课题组：在0.3 g/mL蔗糖溶液中，三色堇花瓣和洋葱鳞片叶的外表皮细胞质壁分离迅速，而月季花瓣外表皮细胞质壁分离较缓慢，需时更长。因此，月季花瓣外表皮细胞液浓度大于三色堇花瓣和洋葱鳞片叶。

第三课题组：同一部位洋葱鳞片叶外表皮置于不同浓度的蔗糖溶液中10 min，质壁分离状态如图5至图9所示。其中0.05 g/mL实验组中细胞几乎不发生质壁分离;0.1 g/mL实验组中有极少数细胞发生质壁分离;0.2 g/mL实验组中大多数细胞发生较大程度的质壁分离;0.3 g/mL实验组中绝大多数细胞发生大程度的质壁分离，甚至有些细胞因失水过多而死亡（如图9）。

一般将引起50%左右的细胞发生初始质壁分离的溶液浓度，称为细胞液的等渗浓度。因此，本实验所选洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液的等渗浓度介于0.29 mol/L和0.58 mol/L之间。（将0.1 g/mL和0.2 g/mL的蔗糖质量浓度换算为物质的量浓度）

5.分析实验中存在的问题

师生共同分析实验中存在的问题：（1）同一选材、同一部位上各细胞的质壁分离不同步，可能是受撕取表皮不均匀的影响，也可能说明即使是同一选材、同一部位细胞的细胞液浓度也有差异，因为不同细胞可能处于不同的生理状态。（2）由于同一选材上各细胞的质壁分离不同步，因此无法记录具体的质壁分离开始时间，只能根据某时刻多数细胞质壁分离的状态粗略判断，因此只能比较细胞液浓度差异大的选材。（3）采用“擦去清水再滴加蔗糖溶液重新做临时装片”的处理方法，克服了蔗糖溶液浓度受影响的弊端，但同时引起了新的问题：花瓣外表皮在装片中的位置挪动，很难在视野中找回同一部位观察，前后对比性受影响。（4）细胞液浓度大小还跟选取洋葱的成熟程度、生理状态、第几层的鳞片叶等有关，因此课题三的实验结果只能说明所选材料的细胞液浓度。

二、教学反思

开展拓展性实验的目的，不在于得到多么完美的实验结果和多么科学的实验结论，而是引导学生动脑动手，激发学生的学习兴趣和调动学生的学习自主性和积极性，培养学生的科学思维和科学探究能力。因此，在教学实践中，教师要放手让学生自己尝试去设计、去操作实验，哪怕实验结果不尽如人意。但同时，也需要适度地引导和规范，如实验操作环节，帮助学生更好地掌握科学的实验方法，树立严谨的科学态度。另外，还要充分发挥集体的力量，如在实验设计和结果分析环节，采用小组汇报和全班研讨的方式，让学生之间相互纠错，提出建议。这样，一方面可以帮助实验小组更好地完善实验设计方案，增强学生对实验原理和实验设计原则的理解;另一方面可以提高学生对实验的参与度，提升学生的学习效果。

（责任编辑 黄春香）