4.1 探究植物细胞的吸水和失水实验说课-2023-2024学年高一上学期生物人教版必修1

人教版高中生物必修1第4章第1节创新实验：植物细胞的吸水和失水说课 一、使用教材及学情分析 （一）使用教材 人教版教材高中生物必修1第4章第1节。本部分内容对学生理解质壁分离现象的原理，理解植物细胞吸水和失水的过程具有重要意义。 （二）学情分析 （1）实验素养 高一年级的学生已经具备基本实验技能，学习过如何使用显微镜。但在独自进行实验设计、严谨完整地进行一个实验、进行实验结果分析、辨析他人实验结论正确性等方面还有待加强。此外，本次实验课中为进行定量分析，让实验结果更具科学性，还使用了像素法，用Photoshop软件，计算液泡面积和细胞面积的比值。因此在课程中，学生还需要学习新软件的使用。 （2）知识掌握情况 通过第一课时的学习，学生已经初步掌握植物细胞吸水和失水方面的知识，知道植物细胞质壁分离与复原的原理。但学生对知识的掌握属于理论层面，对细胞质壁分离的应用并不熟悉，需要通过实验进行加强。 （3）学生兴趣 学生对实验课有很高的积极性，但对于宏观现象和微观现象之间的联系并不清楚。因此，在实验课的开端，教师进行了“葱花的形成”演示实验，从宏观角度引导学生思考植物的吸水和失水。学生对于实验在现实生活的应用很感兴趣，实验结束后，教师还需要提出联系实际的问题，把理论回归到实际中来。 二、实验器材 表1 实验材料及用具 分类 实验材料及用具 实验用具 光学显微镜、载玻片、盖玻片、滴管、吸水纸、刀子、镊子 植物 洋葱鳞片叶外表皮、洋葱鳞片叶内表皮、菠菜叶片、番茄果皮 真菌 酵母菌 溶液 0.1g/mL、0.2g/mL、0.3g/mL、0.4g/mL、0.5g/mL的蔗糖溶液；0.05g/mL、0.08g/mL、0.1g/mL、0.15g/mL和0.2g/mL的KNO３溶液；体积分数为10%、20%、30%、40%、50%的甘油溶液；红墨水、8%的盐酸溶液、碘液 图1 实验材料及用具 三、实验教学创新要点 （一）科学思维：本实验教学中，增加了“葱花的形成”演示实验，从宏观角度展示植物的吸水和失水。 （二）科学探究：实验过程中，教师提供多种实验材料，将学生活动设置为高自由度的自主探究实验，学生可以自主提出不同问题，从不同角度对植物细胞的吸水和失水进行探究。 （三）科学思维：实验教学过程中，采用问题串的形式，从提出问题、实验设计、得出结论、表达与交流等不同的角度，对学生加以引导，培养学生的科学思维。 （四）科学思维：在本次实验的评价中，采用了表现性评价法进行评价，增加学生参与实验的成就感，引导学生进行规范的实验操作。 （五）学科融合：本次实验课，使用了像素法进行定量分析，将计算机与生物学融合起来，提高了实验的科学性。 四、实验原理 成熟的植物细胞中有中央液泡，细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质是原生质层，相当于一层半透膜，分隔开细胞液和外界溶液。当细胞液浓度小于外界溶液浓度，细胞液失水，细胞壁和原生质层出现一定程度的收缩，由于原生质层的伸缩性更大，细胞不断失水，发生质壁分离现象。当细胞液浓度大于外界溶液浓度，细胞液吸水，发生质壁分离复原现象。 五、实验教学目标及重难点 依据高中生物学课程标准和本课教学内容，制定了以下教学目标，其中，根据学情，最后三条目标为本节课的重难点。 （一）通过实验，阐明原生质层具有选择透过性。 （二）形成生命观念，理解结构与功能相适应。 （三）能够分组进行探究实验，形成一定的科学探究能力。 （四）能独立分析实验结果，得出具有科学性的实验结论，形成科学思维。 （五）能学以致用，利用通过实验得出的结论，对现实问题进行分析，强化学生的社会责任意识。 六、实验教学内容及实验教学方法 （一）实验教学内容 （1）展示实验 在课堂中，教师首先进行“葱花的形成”演示实验，展示植物吸水和失水的过程，引导学生从宏观现象切入，思考植物细胞是如何失水和吸水的，探究生命活动规律，培养生命观念。 （2）探究实验 随后，学生复习旧知，组内讨论，确定想探究的问题，共同设计实验方案。接着进行实验，对实验结果进行总结和分析。通过本探究实验，能培养学生的科学探究能力和科学思维。 （3）课后延伸 最后，教师给出课外延伸任务，让整堂课完成从生活实际来，到生活实际去的过程，引导学生将所学知识运用于生活，强化学生的社会责任意识。 （二）实验教学方法 本次教学中，使用了问题驱动法、分组实验法、探究实验法和表现性评价法进行教学。 七、实验教学过程 （一）导入 教师采用“葱花的形成”演示实验进行导入，从日常生活常见植物入手，引导学生从宏观角度观察植物吸水和失水的宏观现象，结合所学知识解释原因，并思考植物细胞吸水和失水的过程。演示实验过程如下： 表2 “葱花的形成”实验教学步骤 教师的实验步骤 学生观察现象 学生得出结论 将大葱剪成3cm左右的葱段，沿葱段壁剪开，底部仍然相连。 将葱段放入装有清水的烧杯中，浸泡5分钟，观察葱段的变化。 清水中，剪开的葱段壁延展形成花瓣形，葱段变得硬挺。 葱段硬挺，是因为清水的浓度小于细胞液的浓度，葱段吸水。 把葱段用镊子夹出，放入装有饱和食盐水的烧杯中，2分钟后，观察变化。 盐水中，葱段壁逐渐收缩，恢复原状，葱段变得柔软。 葱段变得柔软，是因为饱和食盐水的浓度大于细胞液的浓度，葱段失水。 图2 “葱花的形成”演示实验 同学们通过已经学习的知识，能很容易得出实验结论，随后，教师提出引领本堂实验课的总问题：对于植物细胞的吸水和失水，你有什么想探究的问题吗？ 随后，在同学们思考问题的过程中，教师开始给出贯穿本堂实验课的问题串，从不同的角度对同学们进行引导，培养他们的生物学科核心素养。 （1）科学探究：选择实验材料 1）除了洋葱鳞片叶外表皮，还有哪些实验材料能用来观察质壁分离现象？ 2）你能想到什么办法，使用如洋葱鳞片叶内表皮这种无色的材料，进行质壁分离现象的观察吗？ 3）酵母菌存在细胞质和细胞壁，能用来观察质壁分离现象吗？ （2）科学探究：选择实验溶液 4）本实验中提供了不同浓度梯度的外界溶液，不同浓度的溶液对质壁分离现象有影响吗？ 5）只要外界溶液的浓度大于植物细胞液浓度，植物细胞就一定会发生质壁分离吗？ 6）应选择何种浓度的溶液进行实验，才能保证观察到质壁分离现象？ 7）K+、NO3-是植物需要的离子，用含有它们的溶液做实验，还会出现质壁分离现象吗？如果会，在质壁分离之后，还会不会出现别的特殊现象？ （3）科学思维：检验细胞活性 8）植物细胞是否与动物细胞类似，吸水过多会和失水过多都会死亡？利用已有的材料，如何判断细胞是否死亡？ （4）科学探究：规范实验操作 9）本实验是否需要设置对照组？为什么？ 10）在操作过程中，如何在不移开盖玻片的情况下，更换细胞的外界溶液？ （5）科学思维：学会讨论与反思 11）观察实验结果时，使用什么方法对实验结果进行记录？可以用什么指标对实验结果进行观察？ 12）在实验中，选用了不同材料的你是否观察到了意料之外的现象？如果有，你能对该现象的出现做出解释吗？ 13）通过实验结果，你能总结出什么样的实验结论？ 14）对照其他组的实验结果后，你对实验结论是否有修改，对其他组的实验结论是否有不同意见？ 通过这一系列问题串，在提出问题阶段，教师能引导同学们注意到提供的多种实验材料，基于已掌握的知识，提出不同角度、不同层次的问题，例如“能否用红墨水对细胞液进行染色，从而观察洋葱鳞片叶内表皮的质壁分离现象？”、“能否通过不同浓度梯度的溶液，测定植物细胞液的浓度？”等。在实验操作的过程中，问题串主要是提醒同学们注意实验操作的规范性。在最后得出结论的阶段，问题串可以引导同学们对实验结果的分析进行思考，意识到定量分析的重要性。在讨论阶段，问题串可以促进同学们进一步，在不同组别之间进行合作学习，也能通过讨论，培养他们的批判性思维。 （二）提出问题 在此过程中，小组中每位同学都必须提出一个问题，填写在实验设计方案（表3）上。而后通过小组讨论，确定本组想要探讨的问题。 （三）作出假设 在组内，针对所提出的问题作出假设。在本过程中，本组不同成员对于同一个问题，可以做出不同的假设。在后续实验过程中，学会通过观察，判断自己假设的正误。 （四）设计实验 各小组成员参考教材中的探究实验“原生质层相当于一层半透膜”，分别写出自己的实验设计方案（表3）。完成后，小组成员间交换设计方案，互相进行查漏补缺，综合实验操作步骤，得出一份完整的实验设计方案。 表3 实验设计方案 班级： 姓名： 组别： “植物细胞的吸水和失水”实验设计方案 一、提出问题 我想探究的问题： 本组探究的项目： 二、作出假设 三、实验材料及用具（勾选） 光学显微镜（ ） 载玻片（ ） 盖玻片（ ） 滴管（ ） 吸水纸（ ） 刀子（ ） 镊子（ ） 菠菜叶片（ ） 番茄果皮（ ） 酵母菌（ ） 洋葱鳞片叶内表皮（ ） 洋葱鳞片叶外表皮（ ） 0.1g/mL蔗糖溶液（ ） 0.2g/mL蔗糖溶液（ ） 0.3g/mL蔗糖溶液（ ） 0.4g/mL蔗糖溶液（ ） 0.5g/mL蔗糖溶液（ ） 0.05g/mLKNO３溶液（ ） 0.08g/mLKNO３溶液（ ） 0.1g/mLKNO３溶液（ ） 0.15g/mLKNO３溶液（ ） 0.2g/mLKNO３溶液（ ） 10%甘油溶液（ ） 20%甘油溶液（ ） 30%甘油溶液（ ） 40%甘油溶液（ ） 50%甘油溶液（ ） 红墨水（ ） 碘液（ ） 8%盐酸溶液（ ） 四、实验过程 五、实验结果及结论 （五）进行实验 各小组依据实验设计方案进行实验。实验过程中，每位小组成员都需要参与到实验中来，至少自行动手制作一张临时装片，并进行观察。教师在实验过程中，对各组实验情况进行有针对性的指导。 图3 洋葱鳞片叶外表皮细胞的吸水和失水实验操作示例 在实验过程中，为便于观察图像和测量液泡面积与细胞总面积的比值，可以将手机放在目镜上，对所观察到的视野进行拍摄。 图4 使用手机进行视野拍摄 用于实验结果的描述，可以采用像素法进行描述。因为像素是构成图像的小方格，其决定了图像在屏幕上的大小，所以我们可以认为，像素的大小就象征着图像面积的大小。因此，我们可以使用Photoshop软件，检测出视野中液泡所占像素和视野中细胞的总像素，再用液泡所占像素除以视野中细胞的总像素，得出液泡面积与细胞总面积的比值。从而达到对实验结果进行定量分析的目的，让实验更具有科学性。 图5 使用Photoshop检测液泡所占像素 （六）分析结果，得出结论 实验结束后，各小组讨论分析观察到的实验结果，结合所学知识得出结论。 （七）讨论与交流 在课堂中，不同组提的问题是不一样的，各组间通过讨论交流，能帮助同学们进一步认识植物细胞吸水和失水的过程。 （八）进一步探究 在实验的最后，教师给出两瓶没有贴标签的蔗糖溶液，告诉同学们，这两瓶蔗糖溶液的质量浓度分别为0.2 g/mL和0.4 g/mL，同学们能否通过实验，对它们进行区分呢？通过这个问题，将本节课的知识重新回到生活实际中，让学生学以致用，培养学生的社会责任感。 图6 两瓶未知浓度的蔗糖溶液 （九）评价体系 本实验采用表现性评价的方式来评价学生的表现。在课程最开始，每位同学都将获得一份评价量表（表4）。同学们需要在实验的各阶段进行自评，并由小组长统一进行他评，等实验结束后，及时上交评价量表。 此评价量表中，对于实验中学生的不同任务进行了区分，能及时对同学们的实验设计、实验操作进行反馈，增强学生在实验中的成就感，也及时提醒他们的不足之处，在实验过程中起到指引作用，培养学生科学探究的能力。 表4 “细胞的吸水和失水”实验评价量表 任务 评价细则 分值 自评 他评 提出问题 能提出有价值、可探究的问题。 2 无法提出问题。 1 作出假设 能针对问题作出合理的假设。 2 无法作出假设。 1 设计实验 合理设计对照实验，严格遵照变量控制原则。 3 实验设计有不合理之处，但结构完整。 2 无法设计实验。 1 实验过程 制作临时装片 能标准完成“在载玻片中央滴一滴水，用镊子撕取所需组织（或蘸取酵母菌溶液），放入载玻片水滴，盖上盖玻片，完成临时装片制作”的操作过程。 3 制作过程不标准，得到的临时装片中存在大量气泡。 2 无法制作临时装片。 1 观察细胞 用低倍显微镜观察相应细胞，能找到原生质层的位置。 3 能使用显微镜，但无法说出观察到的细胞各结构的名字。 2 无法观察到细胞。 1 观察质壁分离现象 能标准完成“将溶液从盖玻片一侧滴入，在盖玻片另一侧用吸水纸吸引，反复几次，使盖玻片下方的组织浸润在溶液中，一段时间后，观察是否出现质壁分离现象”的操作过程。 3 能够使用显微镜进行观察，但操作不规范。 2 无法使用显微镜进行观察。 1 观察质壁分离复原现象 能标准完成“将清水从盖玻片一侧滴入，在盖玻片另一侧用吸水纸吸引，反复几次，使盖玻片下方的组织浸润在清水中（当使用KNO3试剂时不作处理，继续观察）”的操作过程。 3 能够使用显微镜进行观察，但操作不规范。 2 无法使用显微镜进行观察。 1 分析结果，得出结论 能准确描述实验现象，分析实验结果出现的原因。 3 能描述实验现象，无法分析实验结果出现的原因。 2 无法描述实验现象。 1 表达交流 能将自己观察到的实验结果与本组及其他组同学进行交流，结合其他组的实验结论，对自己的实验过程进行反思。 3 能将观察到的实验结果与同学进行交流，但无法反思自己实验过程。 2 无法进行交流。 1 总分 教师评价 备注 评分标准：总分位于25-23分为优秀，22-20分为继续努力，19-15分为还需进步，14-9分为急需提高。 八、教学评价与自我反思 相比于传统实验教学，本节课增加了“葱花的形成”演示实验，设置了高自由度的自主探究实验，增加了实验设计方案的撰写，采用了表现性评价法进行评价。经改进，本实验能有效培养学生实验操作的能力、发现问题的能力、解决问题的能力、小组合作学习的能力，最后对于液泡面积变化情况的定量分析，使用新技术，做到了学科融合。 但本实验教学中学生开放性探究的选择较多，对学生的实验操作要求较高，对学生综合素养的要求较高，故实验时间较为紧张。 学科网（北京）股份有限公司 $$