基于科学探究的“观察叶绿体和细胞质流动”的教学设计_宋洁莲.pdf

基于科学探究的“观察叶绿体和细胞质流动”的教学设计宋洁莲吴双(上海市奉贤中学上海201499)摘要在“观察叶绿体和细胞质流动”一节实验教学中，让学生在观察酸雨数据中发现环境问题，运用黑藻作为实验材料，亲历“探究 pH 对植物细胞生命活动影响”的全过程，提升学生科学思维和科学探究的能力;通过问题串驱动教学进程，引领学生进行自主探究学习活动。关键词科学探究细胞质流动黑藻问题串1教材分析及设计思路“观察叶绿体和细胞质流动”是沪科版高中生物学教材必修 1 分子与细胞 第 3 章第 2 节“细胞各部分结构既分工又合作”中的内容1。本节课内容是在学习了细胞各部分结构和功能的基础上，通过临时装片的制作、叶绿体流动的观察等学生活动，帮助学生直观地体验到细胞质是流动的，为进一步理解细胞生命活动由各结构协同完成提供实验支持，也为后续进行“观察外界溶液对植物质壁分离和复原的影响”“观察植物根尖细胞有丝分裂”等实验，奠定实验操作技能和科学探究能力的基础。本节课在观察上海酸雨真实数据中发现环境问题，运用黑藻作为实验所需材料，引导学生亲历“探究pH 对植物细胞生命活动影响”探究实验全过程，包括实验设计、实验实施、实验分析等，让学生体验科学研究过程和科学探究方法;在此过程中，运用数码显微平台实现显微视野共享，便于教师的适时指导，提升学生科学思维和科学探究的能力，为后续进行探究实验作好能力铺垫。2教学目标基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了本节课的教学目标如下:(1)通过制作与观察黑藻的临时装片，学会制作临时装片的一般方法并熟练使用显微镜。(2)通过高倍镜观察黑藻细胞的结构，学会确定细胞质流动的检测指标，理解细胞质流动的意义。(3)经历探究不同 pH 对黑藻细胞生命活动的影响的学习活动，提升科学思维和科学探究的能力。(4)通过对酸雨现状及防治措施的探讨，关注社会问题，提升环保意识。3教学过程3 1阅读公报数据，发现环境问题数据资料:2020年，上 海 市 降 水 pH 平 均 值 为 5 38，酸 雨 频 率 为40 2%，较 2019 年下降 4 3 个百分点。近 5 年的检测数据表明，上海市酸雨污染总体呈下降趋势。以上海市生态环境局 2021 年 6 月公布的“2020 上海市生态环境状况公报中的酸雨状况”引入，并提出下列问题:2020 年上海酸雨的相关数据，说明了什么问题?学生思考回答:上海的环境越来越好，但酸雨问题依然存在，必须进一步加强治理。教师追问:何谓酸雨?酸雨是怎样形成的?学生回答，教师补充:酸雨pH5 6，重酸雨区雨水平均 pH4 5，酸雨的产生是汽车尾气、工业废气中的 SO2、NOX等造成的。围绕“酸雨对植物细胞生命活动的影响”这一问题，引入新课。设计意图:从公报数据中发现环境问题，激发学生探究酸雨对植物细胞生命活动影响的欲望，同时补充酸雨的 pH 值以及酸雨的形成等内容，为设计探究方案、提出酸雨的预防措施作好铺垫。3 2设置实验问题，组织实验探究依据科学探究的基本步骤，组织学生提出假设、设计方案、寻找观测指标、实施方案、数据处理分析、得出结论。对于过程中的操作难点，适时通过视频等素材展示给学生，有利于探究活动的顺利开展。3 2 1提出假设，设计步骤围绕“酸雨对植物细胞生命活动有何影响”这一环境问题，启发学生提出假设。在学生提出假设的基础上，教师继续发问:如何设计对照组和实验组?并根据学生回答，在 PPT 上逐步呈现实验设计(表 1)。表 1“探究 pH 对植物细胞生命活动影响”实验设计对照组pH=7(清水)实验组pH=5(模拟酸雨)pH=3(模拟重酸雨)设计意图:开展探究性学习，尝试针对提出的假设，进行操作步骤的设计，提升学生的设计实验的能力和科学思维能力。3 2 2制作临时装片，寻找观测指标并量化教师提问:此实验的观测指标是什么?组织学生每两人一组，合作完成黑藻临时装片的制作与观察。制作临时装片有难度，教师操作演示学生也难以观察到，因此教师对临时装片制作的全过程以视频的形式进行播放，从取材、制临时装片到观察进行具体指导，并对学生观察到45生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期的实验现象及时运用数码显微平台进行共享。教师提问:在高倍显微镜下，你观察到了黑藻细胞的哪些结构?引导学生识别黑藻细胞的细胞壁、叶绿体等结构，找到观测的指标 叶绿体，并画出叶绿体运动方向，从而直观表示细胞质的流动。教师继续追问:叶绿体会随着细胞质的流动而流动，细胞质流动对细胞的生命活动有何意义?引导学生分析细胞质流动的意义是有利于营养物质的均匀分配和代谢废物的排出，细胞质的流动促进了细胞的代谢。教师继续发问:如何对叶绿体流动速度进行精确量化?学生在交流中提出了两种方案:第一种方案是以一个叶绿体为观测对象，记录该叶绿体经过该细胞所需的时间。第二种方案是以某细胞中的一个叶绿体作为观测指标，精确记录此叶绿体经过该细胞长边所需的时间。经过交流讨论，小组学生采用了第二种方案进行测定，节省了测定所需的时间。设计意图:学生运用高倍显微镜观察到清水中黑藻细胞中叶绿体的数量、分布情况、运动方式，提升了学生制作装片以及显微镜操作的技能;通过经历观测指标的确定这一过程，提升学生知识点的迁移运用能力及科学探究思维。通过计时量化叶绿体运动速度，从而判断细胞质流动，表征植物细胞生命活动。3 2 3“原位”引流，探究酸性环境对叶绿体流动的影响通过视频的形式播放显微镜下“原位”引流的全过程，对操作方法、操作技巧、注意事项等方面进行具体指导，并特别强调“原位”引流是在显微镜下不移动载玻片位置，在载物台上进行引流操作。学生选择配制的酸性溶液进行“原位”引流后，教师要求学生持续观察并记录细胞在酸性环境下，同一个细胞中某一叶绿体经过该细胞同一长边所需的时间，并把所需时间记录在学习单上(表 2)。设计意图:设计“原位”引流的操作，目的是为了探究同一细胞在不同 pH 下叶绿体流动的变化，增加实验的科学性，在此过程中不断进行“原位”引流法操作技能的训练，提升学生引流等操作技能，同时提升学生严谨求知的科学思维以及实事求是的科学态度。表 2探究 pH 对叶绿体流动的影响学习单pH=7(清水)pH=3 或 pH=5用时/s3 2 4数据分析，得出结论，提出新的探究问题教师收集各小组清水下、pH=5 和 pH=3 叶绿体流动所需的时间数据(表 3)，汇总数据并计算平均值，运用Excel 软件，输入数据自动生成柱状图，从而实现数据可视化。根据实验数据引导思考分析下列问题:比较清水下和酸性溶液下叶绿体流动速度，可以获得什么结论?引领学生基于实验数据、分析得出结论。学生的结论是:酸性环境使叶绿体流动速度变慢。教师追问:检查本小组的实验数据，与全班平均值比较，是否实验数据基本一致，若差异较大，分析产生误差的缘由是什么?设计意图:收集全班数据计算平均值，满足平行重复的实验原则，在样本数据较多的支撑下，可以获得较为可信的结论，增加实验的科学性，让学生领会科学探索的协作精神。同时，让学生亲历数据剖析、得到结论、实验反思的进程，提升科学思维和科学探究的能力。另外叶绿体流动是观察到的现象，通过现象认识细胞质流动的意义。表 3探究 pH 对叶绿体流动的影响工作表细胞质流动(秒)清水pH=5细胞质流动(秒)清水pH=3组 1组 6组 2组 7组 3组 8组 4组 9组 5组 10平均平均3 3归纳总结，拓展应用教师运用 PPT 展现酸雨对湖泊、森林、土壤产生影响的照片，感悟酸雨不仅对细胞的生命活动产生影响，也对植物体的生长有影响，进而组织学生继续分析:根据所学知识，思考有哪些有效防治酸雨的措施?学生回答，教师补充:新能源汽车、绿色出行、加强工厂排放监控等。教师追问:除了 pH，影响细胞质流动的因素还有哪些?简述你探究的实验思路和方法?设计意图:通过从设置酸雨情境，到探究酸雨的影响，最后讨论解决措施，做好情境贯穿式教学，提升学生环保意识，并引导学生根据所学知识思考解决方法、学会实践应用。另外，也引导学生提出新的问题，激发学生进一步探究其他影响细胞质流动的因素，并鼓励课后进行实验设计，引发学生实验探究的兴趣。4教学反思本节课以探究式学习为主线，开展观察叶绿体和细胞质流动实验，让学生经历了科学探究的全过程，体验科学探究中需要选择合适的实验材料、寻找观察指标、设计科学的实验步骤等的重要性，凸显了实验课的重要目标是增强学生科学思维和科学探究能力，关注了实践的经历，提升了学生的操作能力。在课的设计55生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期用自制程序模拟保护色的形成过程税玉仙1邓强1唐钢2(1 四川省泸州老窖天府中学泸州646000;2 四川省资中县第二中学内江641200)摘要通过使用自主设计的程序，更为高效、科学和环保地模拟保护色的形成过程，使学生理解生物进化的原因，形成进化、适应的生命观念。关键词自制程序JavaScript生物进化自然选择义务教育生物学课程标准(2022 年版)中指出:生命的起源和生物的进化是生物科学研究的重要领域，以自然选择学说为核心的生物进化理论解释了生物多样性的原因1。人教版初中生物学教材八年级(上)第 3 章第 3 节“生物进化的原因”，要求学生形成“生物的遗传变异和环境因素共同导致生物的进化”的重要概念。通过“模拟保护色的形成过程”实验，让学生能更直观地认识和感受生物进化的过程及原因，形成正确的进化观。1程序设计的背景和思路在教学实践过程中，笔者发现原实验中存在着某些不足:材料准备较难:每组需准备一张彩色大纸和数百张小纸片，考虑到这是一个分组实验，要满足全班的实验需求，教师需准备几千张纸片，还要负责器材的分发和回收;展示较难:纸片只能放在桌上，不能挂在墙上，这就意味着教师的演示和学生的成果展示都很困难;计数较难:该实验对于计数的要求极高，一旦出错就会影响到后续的实验;情况不符:教材原文“假设每个幸存者都能产生 3 个后代，并且体色与自己相同”，这也就意味着在淘汰的过程中，只考虑遗传现象而不考虑变异现象，显然与实际的情况有些不符。不少教师也尝试着对该实验进行改进，但大多数教师的改进思路为优化实验器材，如把纸片替换成磁吸片、用黑板模拟草地等2。这些改进可以解决原实验展示难的问题，但无法解决实验统计难的问题。也有教师尝试使用 Scratch 软件开发模拟实验3，来解决实验数据统计困难的痛点。但在实验过程中无法加入变异现象，也就无法较好地呈现生物多样性。另外，使用该软件也需要安装应用程序，推广性不强。笔者使用 JavaScript、Html 语言开发了一个网页程序，能一定程度上解决原实验的不足。师生可以利用电脑、触摸屏电视、平板电脑或手机访问，无需安装即可进行模拟实验。使用本程序能减少实验的时间和物质投入成本，实验现象明显，可以生成统计表，方便实验成果的展示和分享，在实验过程中可加入变异现象，能高效、科学和环保地模拟保护色的形成过程，让学生更容易理解生物进化的原因与概念。2程序简介访问网站:http:/1914 sczzez com/shuiyuxian。图1 是本程序的使用界面，区域 1 用于设置生物的变异体色和数量;区域 2 用于设置自然环境的颜色;区域 3可实时显示当前剩余个体总数;区域 4 显示生物生活的自然环境;区域 5 是淘汰情况统计表。同时，程序页面也添加了“开始本轮淘汰”“结束本轮淘汰”“清空统计记录表”和“全部重置”等功能按钮。还附有操作指引，保证第一次使用程序的师生都可以快速地上手(电子资源)。3程序使用方法3 1选择自然环境的颜色本程序提供了红、黄、绿、蓝、灰 5 种色系，每种色系都有 7 个渐变色，共有 35 种颜色(参考图 1 区域 1)，模拟生态系统的多样性。现选择 19 号色作为自然环境的颜色，模拟草地。上，不同的环节以问题串的形式、以合适的设问引导学生自发地探索。在新课标的背景下，本节课可以更好地提升学生的知识迁移能力、实验操作能力，强化学生的科学思维。实验的不可控因素较多，实验探究课需要在课前做好充分准备，做好预实验，保证课程的顺利开展。为保证细胞质流动现象便于观察，实验探究在实验材料上选择了黑藻顶端的嫩叶，并引导学生先寻找黑藻叶片的叶脉，观察叶脉周围的细胞。同时，温度和光照对细胞质流动有很大的影响，在实验前提前在 25的光照培养箱中进行了培养，保证细胞质流动活性。在教学过程中，教师也对学生进行了及时的指导。虽然由于时间有限，光照、温度、能量对细胞质流动的影响，不能在课上进行探究，但是探究的方法是相同的，因而有兴趣的学生可在课外进一步对植物细胞生命活动影响因素进行探究。主要参考文献1 赵云龙，周忠良 普通高中教科书 生物学必修 1分子与细胞 M 上海:上海科技出版社，20212 中华人民共和国教育部 普通高中生物学课程标准(2017 年版)M 北京:人民教育出版社，2018 65生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期