基于生物学学科核心素养的探究实验教学设计

以“探究植物细胞的吸水和失水”为例

生物学学科核心素养是学生在生物学课程学习过程中逐渐发展起来的，是在解决真实情境中的实际问题时所表现出来的价值观念、必备品格和关键能力，是学生知识、能力、情感态度与价值观的综合体现，包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。探究实验是落实核心素养的重要载体，在以往教学中，教师会提前讲授实验材料及具体步骤，提前预设探究问题，确保学生得到正确的实验结果。如此一来，探究实验很容易变成验证实验。下面以“探究植物细胞的吸水和失水”为例，充分开展探究实验，培养学生主动发现问题和解决问题的能力，落实核心素养。

1教学分析

1.1 教材分析

“探究植物细胞的吸水和失水”是人教版《生物学·必修1·分子与细胞》第4章第1节“被动运输”的实验内容，能够为学生学习物质跨膜运输的方式奠定基础。学生通过观察植物细胞吸水与失水过程，掌握水分子进出细胞的条件。实验过程简单，具有很强的可操作性，教师可充分拓展实验内容，提高学生的科学探究能力。

1.2 学情分析

通过前3章的学习，学生已具备一定的显微操作能力，了解细胞膜具有控制物质进出的功能。然而对植物细胞吸水和失水的基本原理及条件仍缺乏理性认知，对细胞吸收离子的内容更是知之甚少。

2 教学目标

（1）基于探究活动，从结构与功能相适应的角度，阐明植物细胞发生吸水和失水的原理，概括植物细胞发生质壁分离及复原的条件。

（2）体验科学探究的基本过程，尊重客观事实和证据，形成严谨和务实的求知态度。

（3）基于不同条件下植物细胞吸水和失水的情况，理解植物细胞维持相对稳定的能力有限，践行爱护生命、保护环境的社会责任。

3 教学重难点

（1）教学重点：阐明植物细胞吸水和失水的原理，学会探究实验的一般过程。

（2）教学难点：体验科学探究方法，尝试提出问题，设计实验，进行再探究。

4 教学过程

4.1 课前准备

紫色洋葱、菠菜叶、韭菜叶、黑藻、蔗糖溶液(0.3g/mL、0.6 g/mL、1.0 g/mL)、0.6 mol/LKNO3、红墨水、清水等（鼓励学生自行准备感兴趣的实验材料）。

4.2 巧设情境，激发兴趣

演示“心花怒放”的西芹实验（图1）导入新课，激发学生的探究欲。播放渗透装置演示动画，总结渗透系统基本条件（半透膜两侧溶液存在浓度差），为后续实验的开展打下基础。

提出问题：如果将倒置漏斗换成植物细胞会出现什么现象？植物细胞中相当于半透膜的结构是什么？假设原生质层相当于半透膜，如何设计实验证实该假设？

4.3 小组合作，设计实验

教师引导学生思考以下问题，帮助学生设计实验：（1）选择什么样的实验材料？（2）如何确定观察顺序？（3）观察的对象是什么？（4）可能会出现什么样的实验结果？

教师帮助学生解决实验设计的关键点，为实验提供依据，培养学生的合作创新和实验设计能力。

4.4 师生合作，修正步骤

小组展示设计方案，师生共评，理清实验的关键操作，对实验步骤进行修正和完善，对于学生选择的实验材料和试剂暂不作点评。教师引导学生按照修改后的实验方案开展实验，展示实验操作的相关提示：（1）从盖玻片一侧滴加溶液，在另一侧用吸水纸吸引，在载物台上进行操作；（2）观察时选择低倍显微镜即可；（3）取材的厚度是实验成功的关键；（4）刀片锋利，注意安全；（5）捕捉实验图像，做好实验记录。

4.5 发现问题，再探究

实验过程中，教师鼓励学生分析实验现象与预期不同的原因，并尝试再探究：（1）观察到的现象与预期是否一致？（2）若不一致，请分析出现异常现象的原因；（3）要证明你的假设，如何改进实验方案呢？

4.6 解决问题，构建概念

以问题解决为核心，采用“问题-任务一活动”的主线实施探究活动。

学生问题1 洋葱鳞片叶内表皮细胞没有颜色，无法观察到质壁分离，细胞外的溶液如果有颜色，是否可以解决该问题？

教师补充信息：红墨水可以透过细胞壁，但不能透过活细胞的细胞膜。

再探究 用加有红墨水的蔗糖溶液处理洋葱鳞片叶内表皮细胞，使原生质层外部溶液有颜色，可弥补细胞内无色的缺陷。

学生问题2 黑藻细胞和韭菜叶细胞液泡中都没有色素，为什么能观察到质壁分离现象？

讨论分析 这两种细胞的原生质层内均有叶绿体，可以通过观察原生质层的收缩情况来判断细胞的吸水和失水，证明黑藻、韭菜叶也是该实验的良好材料。总结观察植物细胞的吸水与失水实验材料应具备的条件：有活性的成熟植物细胞。

学生问题3用0.3g／mL蔗糖溶液处理洋葱鳞片叶外表皮细胞和韭菜叶细胞相同时间，为什么前者发生了明显的质壁分离现象，后者现象却不明显？

讨论分析 外界溶液浓度相同，不同细胞失水的现象却不同，可能是细胞液浓度差异导致的，增大蔗糖溶液浓度便观察到韭菜叶细胞明显的质壁分离现象。总结：可利用该实验探究某细胞细胞液的浓度范围。

学生问题4 为什么用蔗糖溶液、KNNO3溶液、NaOH溶液分别处理洋葱鳞片叶外表皮细胞，实验现象各不相同？蔗糖溶液处理后会发生质壁分离；KNO3溶液处理后先发生质壁分离很快又自动复原；在NaOH溶液逐渐接触细胞的过程中，细胞内的颜色迅速变成蓝色，且色素很快溶出细胞。

讨论分析 蔗糖不能进入细胞。KNO，在农业上可以作为化肥，说明可以进入细胞导致细胞内外渗透压变化，出现质壁分离复原。NaOH会杀死细胞，导致原生质层失去控制物质进出的能力且色素溢出，色素在碱性环境下呈蓝色。总结植物细胞发生质壁分离的条件：有活性的植物细胞、细胞外液渗透压高于细胞液渗透压。

5 教学反思

在本实验教学中，教师通过设置问题给予学生思考的空间，由传统实验教学中的教师告诉学生，转变为学生告诉教师、学生告诉学生，充分发挥学生自主探究与合作的能力。学生从观察现象、发现问题、作出假设、修正实验方案、得出实验结论的过程中收获成功的喜悦。学生在实验过程中既动手又动脑，充分利用实验资源开展科学探究，在真实的探究活动中，深刻体会实验的内涵及意义。