生物实验教学：基于疑问，促进理解

摘 要：为达到“理解”这一教学目标，最好的设计应该“以终为始”，从学习结果（预期目标）开始逆向思考，其基本步骤为：确定预期的学习结果，寻找合适的评估证据，安排合理的教学活动。教学“探究植物细胞的吸水和失水”实验时，尝试基于学生的疑问，按照基本步骤进行教学设计，以促进学生对教学内容的深刻理解。

关键词：高中生物学；实验教学；《探究植物细胞的吸水和失水》

美国课程改革专家威金斯和麦克泰倡导“通过设计促进理解”（简称“UbD”）的教学设计理念。［1］他们认为，为达到“理解”这一教学目标，最好的设计应该“以终为始”，从学习结果（预期目标）开始逆向思考，其基本步骤为：确定预期的学习结果，寻找合适的评估证据，安排合理的教学活动。［2］

教学人教版高中生物学必修1中的《探究植物细胞的吸水和失水》一课，笔者尝试基于学生的疑问，按照上述步骤进行教学设计，以促进学生对教学内容的深刻理解。

一、 确定预期的学习结果

学习结果包括将要学习的知识内容以及获取相关知识所需要掌握的技能，同时包括获取知识的相关过程以及评价指标。

关于“探究植物细胞吸水和失水”，《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》聚焦的大概念、重要概念、次位概念依次是：细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖；物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞的正常代谢活动；阐明质膜具有选择透过性。［3］解读课标要求，我们可以确立如下学习结果：理解渗透作用的原理和质壁分离现象发生的条件；掌握探究实验的设计思路、控制自变量和无关变量、观察和检测因变量、设置对照组和实验组、设置重复实验等科学探究能力。学生需要思考：教材中该实验的选材是从哪些方面考虑的？选择不同的实验材料，能否获得预期的实验结果？选择不同的实验试剂，是否会有不同的实验结果？在此基础上，确定本节课的学习目标：

（1） 举例说明日常生活中植物细胞吸水和失水的现象，从而通过直观感受理解渗透作用的原理；

（2） 通过探究实验，进一步掌握自变量、无关变量的科学控制方法，掌握因变量的观察和检测，掌握设置实验对照组和重复实验，并能很好地将本次实验的方法和技能迁移应用于其他探究活动；

（3） 基于对教材实验的重新改进和设计，认同科学探究既要继承前人的科学成果，也要勇于提出质疑并富有创新精神，不断探索。

二、 寻找合适的评估证据

评价学习目标的达成度，一般以评价学生的探究行为为主要形式，具体包括语言表达的精准程度、实验设计的逻辑性、实验操作的规范性、数据收集及分析的合理性、学习活动的参与度、评估与反思的深度等。为检测预期学习结果，教师需要思考多种评估方法以收集证据。

本节课，使用了多种评估方法，具体如下：

1. 提问。具体表现和证据为：（1） 水分进出植物细胞是否属于渗透作用？（2） 原生质层与半透膜的比较（异同）。

2. 观察。具体表现和证据为：分组完成相应的实验内容，并通过实验现象分析比较实验结果，得出实验结论。

3. 表现性任务。具体表现和证据为：（1） 运用所学的渗透现象的理论知识合理解释植物细胞吸水和失水，并归纳质壁分离发生的条件；（2） 将本实验的实验方法迁移至其他探究活动；（3） 小组合作，将本组实验结果通过实验报告分享交流。

4. 其他。具体表现和证据为：（1） 正确完成课后习题；（2） 撰写实验观察报告。

三、 安排合理的教学活动

根据制定的学习目标和评估证据，明确学生应该掌握的知识和技能后，接下来就需要抓住核心问题，设计相应的学习活动。其间，我们必须思考几个关键问题：学生要有效地开展学习并获得预期的学习结果，需要哪些知识（事实、概念、原理等）和技能（过程、步骤、策略等）？哪些活动可以使学生获得所需的知识和技能？根据表现性目标，需要教授哪些内容，指导学生做什么，以及如何用最恰当的方式开展教学？要完成这些目标，哪些材料和资源是最合适的？

关于“探究植物细胞的吸水和失水”实验”，学生普遍存在这样三点疑问：（1） 植物细胞的质壁分离实验的选材除了教材中的紫色洋葱鳞片叶外，是否有其他材料替代？（2） 实验试剂除了质量分数为30%的蔗糖溶液外，能否选择其他试剂？（3） 植物细胞的原生质层相当于半透膜，如何直观化？这些疑问就是学生需要理解之处。据此，本节课设计了如下学习活动：（1） 探究植物细胞没有明显液泡是否发生质壁分离现象；（2） 探究教材中选择的蔗糖溶液浓度为0.3 g/mL的理由；（3） 探究是否可以用0.05 g/mLNaCl溶液替代0.3 g/mL蔗糖溶液。

（一） 探究植物细胞没有明显液泡是否发生质壁分离现象

分别选择紫色的洋葱鳞片叶外表皮和黑藻叶片细胞（其他实验条件不变）进行实验。具体结果见表1。

从取材方面考虑，黑藻可以直接取材，不用撕取，节省了时间。从观察效果角度来看，由于黑藻细胞较小，整个实验观察都必须在高倍显微镜下进行，能帮助学生巩固显微镜的使用。从实验过程角度来看，学生通过观察黑藻叶片细胞叶绿体的形态和位置，提出猜想（黑藻的液泡是无色的），并且通过后期文献考证，验证了这一猜想。

（二） 探究教材中选择的蔗糖溶液浓度为0.3 g/mL的理由

分别配制不同质量分数的蔗糖溶液（0.1 g/mL、0.2 g/mL、0.3 g/mL、0.4 g/mL、0.5 g/mL）进行实验。具体结果见表2。

可以看到在不同浓度的蔗糖溶液中，紫色洋葱外表皮发生质壁分离和清水复原的时间有所不同。其中，0.2g/mL、0.3g/mL、0.4g/mL这三个浓度都能使细胞发生质壁分离和清水复原现象；而根据时间长短，最合适的浓度为0.3g/mL、0.4g/mL。通过本次实验，学生考证了教材选择0.3g/mL的蔗糖溶液是有依据的，也证明了科学实验讲究实践检验。学生还从实际操作中总结出，滴加蔗糖这一步骤是在载物台上进行的，而蔗糖本身具有一定的黏度，在操作过程中要注意滴加量的问题，以免污染镜头。

（三） 探究是否可以用0.05g/mL NaCl溶液替代0.3g/mL蔗糖溶液

分别选择0.3g/mL蔗糖溶液和0.05g/mL NaCl进行实验。具体结果见表3。

可以看到：紫色的洋葱外表皮细胞在0.05g/mLNaCl溶液中能发生质壁分离并能自动复原。本实验中选择0.05g/mLNaCl溶液，是学生通过文献查阅发现的。而通过实际操作，学生发现，该浓度下发生质壁分离和复原的时间较长。因此，学生在本实验的基础上进一步提出，完成紫色洋葱外表皮细胞在不同浓度的NaCl溶液中质壁分离和复原现象的探究实验。这也很好地体现了通过本次实验，学生在掌握探究实验基本知识和技能的同时，完成了知识的迁移。这是在理解的基础上进一步的深度学习。

本册教材中的探究实验很多，而面向的高一学生普遍还没有很好的实验习惯和实验素养，因此，“探究植物细胞吸水和失水”实验特别具有科学探究的实践意义。而本节课设计的体验活动，是立足学生的疑问生成的。这3组实验内容可操作性强，学生可以按照各自感兴趣的内容自由组合。这是一种内驱力促动下的科学探究，能够让学生自主找到需要的答案，并在此基础上深入探究实验内容，同时还能将所学方法迁移，体验科学家的思考。

参考文献：

［1］［2］ 格兰特·威金斯，杰伊·麦克泰.理解为先模式——单元教学设计指南（一）［M］.盛群力，沈祖芸，柳丰，等译.福州：福建教育出版社，2018：7，18.

［3］ 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020：13.