摘要：生物学是一门以实验为基础的学科, 开展实验教学有助于增强学生对生命现象探索的兴趣，帮助学生建立完善生物学体系,为学生终身发展和应对社会快速发展奠定基础。《探究植物细胞的吸水和失水》是高中必修1第4章第1节的探究性实验。许多教师采用验证性实验教学的方法，导致教学效果不理想，对于实验过程中显现的不同于课本的现象，并没有去深入探索其原因。A老师就传统的实验教学进行创新，基于培养学生的创新思维对《探究植物细胞的吸水和失水》这一实验进行改进。

关键词：探究实验；高中生物

一、学生创新思维的培养

（一） 利用实验教学，强化创新思维培养

培养学生的创新能力是生物学科教学的重点和难点。从客观上审视，高中生物理论及实验方面的知识，都属于验证性结论，即所有的知识点、实验规律等都是通过前人反复论证形成的，高中生物实验下的操作并不是探索，而是以实验现象为依据对实验原理的还原，这种“按部就班”下的实验操作极易限制学生的发散思维。这种情况下，教师可以合理利用身边的资源灵活开展实验，鼓励学生从方法和步骤上对传统实验进行大胆创新，变验证性实验为探究性实验，如“探究植物细胞的吸水和失水”实验，可在原实验方案的演示后带领学生跳脱出课本的限制，自由选择其他实验材料和用具进行探究，以小组为单位设计新颖的实验方案，或进行竞技性质的实验活动，极大激发了学生的学习兴趣。

（二） 丰富学习资源，培养创新能力

随着信息技术的不断发展，教学模式和教育资源变得更加丰富。因此，教师要加强自己的信息素养，为适应时代进步而转变自身的教学理念，不断提升自己的专业水平和综合素质，从传统应试教学的思想中跳出来，合理开展实验教学，促进学生的创新意识和创新能力的提高。同时，当代高中生成长于互联网环境之中，其计算机、网络、多媒体等的操作能力很强。在进行一个新的实验项目之前，可以引导学生先行在网络上搜索相关资料，绘制生物实验的流程图、组织相关材料、设计试剂比例。这样到了真实的生物实践操作中，学生不仅思路清晰，掌握自主学习方法，而且能跨越教材的“统一标准”进行创新。

二、传统实验教学与改进后实验教学对比

（一） 传统实验教学内容

1. 实验内容分析

“植物细胞的吸水和失水”是高中生物学必修1的一个重要的探究性实验，也是高中生物学中的第一个探究性实验。在此之前，学生已经学习了渗透装置对半透膜和渗透作用，对渗透装置的组成有了清晰的认识，并且通过对课本图片观察和讨论动物细胞发生渗透作用的条件以及实验现象，会产生各种疑问。因此在教学中教师应让学生在具体实验过程中获得经验，并通过自己的动手操作解决疑问，懂得科学的实验方法，培养学生严谨的科学态度，提高小组合作能力。

2. 实验构思

在进行实验前，学生需要先了解本实验的原理和目的。接下来让学生探讨选取洋葱鳞片叶外表皮为材料的原因，总结选材的几个要求：①材料必须是完整的活细胞；②植物细胞中有较大的液泡，细胞液中带有色素；③材料易得，便于操作，以方便制作临时装片和观察。通过教师演示实验和实验视频的播放，学生观察并思考撕取洋葱鳞片叶外表皮时需要注意的事项。然后进行分组实验，观察现象，总结结论并反思经验。

3、实验教学过程

（1）导入情境

老师：请同学们观察实验台上3个烧杯里的萝卜条，1号烧杯里是放在盐水里的萝卜条，2号烧杯里是放在清水里的萝卜条，3号烧杯里是自然状态下的萝卜条，把他们分别对折一下，有什么区别？

学生：1号烧杯里的萝卜条变软，2号烧杯里的萝卜条变硬，3号烧杯里的萝卜条介于两者之间。

老师：很好，请坐，炎热的夏天，我们去买菜，经常看到菜农给蔬菜喷水。我们喜欢吃的糖拌西红柿，放上糖后，西红柿汁就会流出来。通过这两个实例和刚才的实验现象，请同学们思考，你想探究的问题是什么？(小组内讨论）

学生：植物会出现失水的情况吗？

老师：很好，请坐。我们共同回顾一下渗透装置，请同学们思考发生渗透作用需要的条件是什么？

学生：半透膜；半透膜两侧存在浓度差。

老师：动物细胞放在清水中会渗透吸水，放在盐水中会渗透失水。根据发生渗透作用的条件，动物细胞的哪一部分结构相当于半透膜？

学生：动物细胞的细胞膜相当于半透膜。

（2）实验教学过程

教师在多媒体上展示成熟植物细胞的图片，引导学生对照图片辨认各部分的名称。

老师：成熟的植物细胞有中央大液泡并占据细胞大部分空间，将细胞质挤成一薄层，细胞内的液体环境主要指的是液泡里面的细胞液，成熟植物细胞的浓度指的是细胞液的浓度；细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层，水分进出细胞要经过原生质层。根据刚才的复习，请同学们再通过深入思考，你想探究的问题是什么？

教师组织学生进行小组讨论，让学生明白什么问题更有探究价值。

学生：原生质层是否相当于半透膜？

老师：请同学思考，植物细胞会失水和吸水吗？原生质层是否相当于半透膜？哪个问题更有探究价值？

小组经过讨论决定选择“原生质层是否相当于半透膜”作为探究问题。

老师：请同学们根据已有的知识和生活经验，对提出的问题作出尝试性的回答。

学生：原生质层相当于半透膜。

老师：我们所做的假设即使是有依据的，也仅仅是一种推测。这种推测是否正确，还需要实验来检验。

老师：根据课本实验内容介绍，这个实验需要什么实验器材和实验材料呢？

学生：紫色的洋葱鳞片叶、质量浓度为0.3g/ml 的蔗糖溶液、清水、显微镜、载玻片、盖玻片、吸水纸、纱布、擦镜纸、刀片、镊子、滴管。

老师：下面请同学们根据提供的实验器材设计实验方案。

教师引导学生考虑这个实验设计上的一些细节问题，如实验材料、试剂、用具的选择，引导学生思考，从而有利于学生有效地在显微镜下观察。

老师：在材料选择方面，我们选择有颜色的还是没有颜色的，细胞小的还是相对比较大的，为什么选择洋葱表皮细胞？

学生：有颜色，较大的细胞容易观察。洋葱表皮细胞有紫色液泡，而且表皮容易撕取获得。实验过程细胞处于生活状态。

老师：在试剂的选择方面，我们为什么选择糖水而不是酒精精？

学生：选择糖水，因为酒精会破坏细胞的结构成分，使蛋白质变形。

老师：植物细胞的吸水和失水是一个微观的过程，必须通过什么工具观察？

学生：显微镜。

在进行操作实验之前，教师给学生进行视频演示紫色洋葱鳞片叶表皮细胞的吸水和失水的操作过程，加深学生印象，规范学生操作步骤，有利于实验的进行。在教师引导下以小组为单位展开实验，表格记录现象：

老师：请同学描述你观察到的实验现象。

学生：滴加蔗糖后，液泡颜色变深，变小，原生质层与细胞壁脱离，细胞的大小基本不变；加清水后，液泡颜色变浅，恢复原来的大小，原生质层恢复原来的位置，细胞基本不变。

老师：很好，请坐。根据实验过程，请同学们思考：质壁分离中的“质”、“壁”分别指的是什么？质壁分离后的细胞，细胞壁和细胞膜之间的液体是什么？

学生：“质”指的是原生质层，“壁”是细胞壁。质壁分离后细胞壁和细胞膜之间的液体是蔗糖溶液。因为蔗糖能够透过细胞壁但是不能透过细胞膜。

老师：回答很好。这次实验有的小组成功了，也有的小组没有成功。你认为本次实验成功的关键是什么？小组讨论交流后找小组代表起来回答。

学生：首先是材料的选择，选用紫色洋葱鳞片叶外表皮，偏于观察，颜色较深，制作装片时切片要薄。其次是试剂的选择，能够与细胞液形成浓度差，使细胞失水收缩。还有小组间的团结合作。

老师：通过本次实验你能得出什么结论？

学生思考后回答，并由此得出结论。

学生：细胞液和外界溶液通过原生质层确实发生了渗透作用。在细胞液的浓度低于外界溶液的浓度时，洋葱鳞片叶表皮细胞就失水，发生质壁分离；在细胞液的浓度高于外界溶液的浓度时，细胞就吸水，已出现了质壁分离的细胞，发生质壁分离复原。细胞能否从外界吸收水分取决于细胞液的浓度和外界溶液浓度的高低。并总结出，原生质层就相当于一层半透膜。

4.反思与改进

在本次的教学过程中，学生课堂反应略显沉闷，整个课堂相较于改进后的课堂缺少知识探索的氛围。实验教学的内容形式过于单一，缺乏立体生动的演示，实验操作过程也只是按部就班地按照课本进行，缺乏培养学生创新能力的过程设计，学生并不能理解真正的意义，甚至让学生陷入这就是“标准答案”的误区。

经过反思后A老师决定对教学进行改进：

①由直接给学生们讲授实验相关内容、让学生们以给出的实验方案进行科学实验验证假设的教学模式，转变为由情境导入、层层递进地让学生们置身于问题情境中，主动地去思考、探索、发现实验背后的因果始终。

②在实验的材料的选用上进行创新，除了使用经典的紫色洋葱鳞片叶表皮，还增添白色洋葱和菠菜叶两种不同特点的实验材料。教师在实验之前带领同学们对此进行分析，为后续的实验过程做铺垫，并在实验结束后引导学生们对实验材料的选取条件做归纳总结，完善学生们对实验细节问题的掌握。

③在实验结束之后设置问题情境和应用性问题，在问题解决的过程引导性学生思考，有效的帮助理解本次实验教学的内容并开阔学生的思维。

（二） 改进后的实验教学内容

1. 实验内容分析

“植物细胞的吸水与失水”实验在教材中承接细胞的结构和功能部分，开启后续物质跨膜运输方式的学习，是本教材中第一个重要的探究性实验。A老师确定了本次改进实验教学的具体教学目标。

生命观念：理解植物细胞的吸水和失水的生命过程，形成结构与功能观；

科学思维：能从实验现象中发现验证实验的假设，并根据现象分析总结实验原理、结论，并抽象为相应的科学生物学观点，从而培养解决问题的能力。

科学探究：能熟练地使用实验器具进行实验，培养学生探究思维的同时能增强他们的科学实验动手能力，主动地设计实验方案并保证实施。

社会责任：能够利用所学知识解决生产生活中的现象、问题。

2. 实验构思

通过情境的引入和教师的层层引导，去让学生主动地思考发现使得植物细胞吸水失水并产生质壁分离及复原的原因或条件。以教材中引导学生学习的思路为依托，在真正进行探究性实验之前，帮助学生开启一条充满问题探究、充满思考的向着科学性探究实验而去的路径。此外，为了检验学生对本实验原理和结论的理解掌握，A老师还在实验教学之后设置采取以重点问题引导学生回顾总结以及抛出应用性问题帮助学生进行拓展思考的重要环节。

3. 实验教学过程

（1）导入情境：

给学生播放半透膜装置形成的渗透作用视频，学生们对于这个小实验的结果很是惊奇；同时老师就此现象询问学生心中的疑惑。

学生：倒置的漏斗封上半透膜之后刚开始液体为什么不漏，为什么过了一段时间漏斗内液面上升了然后有停止不动了呢？半透膜的作用是什么？上升的这部分液体是来自于烧杯中的水吗？

老师：顾名思义“半透膜”是能透过部分物质的膜，那么它是可以允许小分子物质通过膜的，也就是说在这个渗透装置中，水分子是可以通过半透膜的，而溶质分子像蔗糖是不可以通过的。那么这也能解释为什么后来一段时间，漏斗内的液面可以上升了，是因为烧杯中的水分子透过膜进入其中了。

老师：那么同学们就要来思考为什么水分子会从烧杯进入到漏斗中呢？为什么到最后又不再上升了呢？

老师组织学生们讨论，老师提示学生注意烧杯中的液体是蒸馏水、漏斗中的液体是滴加了红墨水的蔗糖溶液。

学生：半透膜两边的液体环境浓度不同，烧杯中浓度低而漏斗中浓度高，因而为了使两边达到平衡，只能是让水分子运动透过半透膜从烧杯到漏斗内，最后两边浓度一致后，水分子就不再过膜，液面就不再上升。

老师：大家分析的基本上没有问题，但要注意，等到半透膜两边浓度近乎一致后，半透膜两侧的水分子其实是保持动态平衡的；那么就对这一现象做一个总结，水分子或其它小分子物质能通过半透膜从低浓度溶液向高浓度溶液方向移动。

之后老师又给同学们举例了哺乳动物成熟红细胞在高浓度溶液中失水皱缩、在低浓度溶液中吸水胀大的实验。

学生：红细胞膜相当于半透膜，膜两侧的溶液有浓度差，就会发生渗透作用。

（2）实验教学过程：

紧接着老师又给出学生们一个情境：家里做辣白菜的时候，我们会发现用几颗大白菜最后才能腌制出一小盆来，白菜的体积大大缩减了；同学们纷纷点头表示确实如此，大家对此现象很有兴趣。

老师：那么大家怎么去分析这个现象呢？

学生：在腌制辣白菜时会添加许多佐料，比如会放盐、糖等导致细胞外的浓度很高，植物细胞内的水分就通过半透膜作用的细胞膜结构渗透出去了。

老师：植物细胞内的水分大部分来自于哪里？

学生：成熟的植物细胞中含有大液泡，这可能是水分的主要来源。

老师：没错！那同学们想想植物细胞结构中具体哪一结构相当于半透膜呢？

学生：细胞壁？细胞膜？液泡膜？也有说都可以的。

接下来老师开始引导学生去辨析思考。

老师：根据上一章所学的，植物细胞的细胞壁、细胞膜结构在功能上有什么区别呢？

学生：细胞膜有选择透过性，而细胞壁没有；细胞壁是全透的，所以它不起到半透膜的作用。

老师：好，那我们排除了细胞壁后，那细胞膜和液泡膜呢？

学生：它们都是生物膜，结构是一样的，都有选择透过性，都可以起到半透膜的作用。

老师：很好，那么联系之前分析的，成熟植物细胞内的水分大部分都来自于大液泡，那么植物细胞的吸水和失水的过程究竟是怎样的呢？植物细胞的哪一结构是起到半透膜作用的呢？

学生们大胆地猜想是细胞膜和液泡膜共同起作用。老师在此时给学生们引入了一个新的概念“原生质层”，即由细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质共同组成。至此引入到了本节课的探究性实验过程，基于学生们已经根据植物细胞怎样吸水和失水提出了该实验的假设：原生质层相当于一层半透膜。

老师：同学们根据你们提出的假设，设计出实验方案。在这里给到大家三种实验材料：紫色洋葱鳞片叶、白色洋葱鳞片叶、新鲜的绿色菠菜叶。

在设计实验方案之前，老师带领同学们分析三种材料的特点、区别，从而利于学生们如何有效地在显微镜下操作、观察到实验现象；并且为了让学生了解相关的实验操作、规范学生们的实验方案和进行接下来的实验操作，老师给学生们用实验视频演示了紫色洋葱鳞片叶表皮细胞的吸水、失水操作过程。最后学生们在老师的引导帮助下获得了以下分析结果和实验方案：

材料1：紫色洋葱鳞片叶 特点：有大液泡，呈紫色；可以直接观察。操作：①撕取紫色洋葱鳞片叶表皮制作临时装片（载玻片中央滴清水）②将装片转移至显微镜下用低倍镜找到物象进行观察（最初状态）③在盖玻片一侧滴加0.3g/ml的蔗糖溶液，并用吸水纸从另一侧吸引，如此反复，使样品都浸润在蔗糖溶液中④接着显微镜观察植物细胞的变化情况（主要观察原生质层的变化，已验证假设）⑤若发生了质壁分离，接着在盖玻片一侧滴加清水，再用吸水纸从另一侧吸引，反复操作，使样品浸润在清水中，再观察植物细胞的的变化情况⑥最后质壁分离若能复原，则可以结合质壁分离的现象证明植物细胞的原生质层确实相当于一层半透膜；然后通过实验现象总结出结论。

材料2：白色洋葱鳞片叶 特点：有大液泡，呈白色，在显微镜下直接观察不到具体颜色的变化；采用染液染色的方法（老师提示学生注意，染液应该染谁，不可以染细胞，因为会破坏细胞结构），即用染液（提供红色墨水）滴入蔗糖溶液中，通过观察无红色区域的大小来验证实验。其它操作步骤与材料1所示一致。

材料3：新鲜的绿色菠菜叶 特点：细胞中有大液泡，并且细胞质中有大量的叶绿体，显微镜下观察呈现绿色视野，有利于植物细胞吸水和失水实验的直接观察；其它操作步骤与材料1所示一致。

通过学生们小组合作开始进行相应的实验操作，学生们三人一组分工明确，保证了每个人都能参与到实验中来。在实验操作过程中会发现学生在取菠菜叶的叶肉细胞时操作不准确，老师注意到这个问题后纠正学生们要取叶表皮下的叶肉细胞，这个实验材料的获取不太容易，需要学生们细心地去刮取；最终大部分小组能在低倍镜下观察到前两组材料的实验现象，有2个小组完成了叶肉细胞的吸水和失水观察实验。

老师：接下来各小组进行充分地讨论总结，思考下列问题。①原生质层确实起到了半透膜的作用吗？②植物细胞的失水与吸水是怎样发生的（分别说明条件和现象）？③对于实验材料的选取有何要求、必需本身是有色的吗？

学生：①原生质层在植物细胞失水和吸水过程中确实相当于一层半透膜的作用。②植物细胞发生失水和吸水的条件是：要有半透膜，且半透膜两侧有浓度差。当滴加0.3g/ml的蔗糖溶液后，外界溶液的浓度高于细胞内浓度时，细胞失水，原生质层与细胞壁分离；当再次滴加清水后，外界溶液浓度低于细胞内浓度时，细胞吸水，原生质层又恢复到原来状态。③实验材料的选取条件是要有大液泡、是活的细胞、有相当于半透膜的原生质层；即使是在显微镜下呈现无色的植物细胞也可以，对外界溶液进行染色再观察即可。

老师：我们可以将植物细胞失水和吸水过程的这一现象，称为“质壁分离与质壁分离的复原”。

（3）实验拓展教学：

接下来，在学生们得到实验结果和结论的基础上，A老师设计了相应的问题情境，进行了拓展教学。

问题情境1：有标签丢失且浓度不同的三瓶蔗糖溶液，怎样能知道它们各自的浓度？（已知其中的浓度有0.1g/ml、0.3g/ml、0.5g/ml）

学生：取A、B、C三组紫色洋葱鳞片叶表皮细胞，然后分别滴加这三种浓度的溶液，根据实验现象来判断；如果没有观察到质壁分离的现象，那么浓度应为0.1g/ml；如果刚刚质壁分离，则浓度为0.3g/ml；若质壁分离明显，则浓度为0.5g/ml。

老师：非常好。那么是不是用浓度越高的溶液操作，观察到质壁分离及复原的效果越好呢？

学生们思考了一会，有的同学同意而有的同学反对；老师请有反对意见的同学说明自己的想法。

学生：外界溶液浓度过高，会导致细胞大量失水而死亡，虽然质壁分离现象明显，但是无法复原。

老师：这位同学表达地很清晰、到位。

问题情境2 ：有甲、乙、丙三种植物，哪一种更适合种植在盐碱地中？

老师：盐碱地的特点是？

学生：土壤中溶质浓度较高。如果该植物细胞内溶液浓度较高，就不会大量失水，所以就适合种植于盐碱地中。

老师：非常好，那么按照这位同学的思路，大家讨论一下如何设计一个实验来验证呢？

在同学们进行了热烈的讨论之后，得到了这样的实验方案：获得甲、乙、丙三种植物细胞，分别滴加0.3g/ml的蔗糖溶液，观察实验现象，最终要选择不发生质壁分离的或者发生质壁分离程度最小的植物，因为其细胞内溶液浓度是最高的，因而更适合种植。

问题情境3 ：如果将实验用的0.3g/ml的蔗糖溶液替换为0.3g/ml的硝酸钾溶液，是否可行？

问题提出之后，学生们似乎没有头绪，或许只关注到了浓度，忘记了半透膜的特点，于是老师给学生们以提示。

老师：半透膜能通过什么类型的物质？

学生：小分子物质。

老师：硝酸钾溶液中，不仅水分子可以过膜，K+、NO3-也可以通过。那么跟着老师的思路大家思考，一开始外界溶浓度高于细胞液浓度时，细胞开始失水发生质壁分离；但溶质离子K+、NO3-也是可以通过原生质层进入到细胞内的，那么随后慢慢地细胞内溶液的浓度就会随之升高。

学生：这时细胞内溶液浓度高于外界溶液浓度，细胞会自动吸收外界溶液中的水分子，就会自动发生质壁分离复原。

老师：我们还要注意，如常见的阴阳离子以及水、二氧化碳、氧气、葡萄糖、甘油、氨基酸等小分子物质都是可以通过半透膜的。

问题情境4 ：思考我们如何运用今天所学知识来解释农业生产中的“烧苗”现象呢？

老师：“烧苗”是什么意思呢？

同学：是因为肥料施多了，把植物“烧”蔫了。

老师：那我们能试着思考并解释这个现象吗？

学生：施肥过多就导致土壤中溶液浓度大于根毛细胞液浓度，这就使得根毛细胞不但不能吸收水分，还要失去水分，从而使植物萎蔫，也就是出现了“烧苗”现象。

（4）总结：

在教学过程的最后，A老师以“植物细胞失水与吸水实验”中一个相关的重要问题对本次实验教学进行总结。

老师：实现植物细胞质壁分离及复原的条件是什么？

学生与老师共同总结：需要含有大液泡的活细胞；要有相当于半透膜作用的原生质层且其伸缩性要大于细胞壁；细胞液与外界溶液之间有浓度差。

三、总结与反思

本案例基于学生创新思维的培养对《探究植物细胞的吸水和失水》这一实验进行改进。改进后的实验教学本着以教师主导、学生为主体的原则，与传统实验教学相比，教学方式更加多元化，教师提问学生思考教师引导学生回答的环节也颇多。课堂导入部分层层递进，涉及到以前所学到的知识，并引导学生根据所学思考解释实验中的现象和所提出问题。在实验操作过程中注重问题提出、提出假设、实验设计、实验操作、观察结果、思考总结这几部分。新颖独特之处在于实验材料的多样有助于学生对比观察思考，并且让学生进行材料选择增加了课堂的灵活性。在实验结果之后教师还添加了多种问题情景，包括实验设计类、理论联系实际解释现象、问题解决各种类型，而这些问题也充分促进学生思维能力的发展，发挥学生自主学习能力。

A老师实验改进和拓展教学的目的在于，不只给出学生现成的实验步骤、机械地去做实验，而是让学生从始至终能融入在老师创设的有趣的学习情境中，知道为什么去探究、怎样去探究、结果如何、符合假设，使学生的核心素养得到培养。以学生们的兴趣和好奇心为起点和动力，通过教师不断地在教学情境中给学生们抛出一个又一个问题，引导学生思考，激发学生主动探究，因而在实验中学生们确实是带着自己的疑问，怀着想要验证假设的迫切而又好奇的心情去进行科学探究实验的。而在这个过程中无论是实验前的引入教学、实验操作过程还是拓展问题的延伸思考，都是需要教师去适时地、适当地正确引导；并且在教学中要给予学生们自由放松的学习环境，让学生敢于发散思维、敢于表达自己的观点，同时教师要针对学生的回答给予及时、积极反馈，如此是有益于学生创新思维和能力的提高的。