“植物细胞的吸水和失水”实验的分析与教学建议

刘本举 （濮阳市第一高级中学  河南濮阳  457000）

摘要  本文分析了“植物细胞的吸水和失水实验”中类比推理与演绎推理的过程，并提出了相关教学建议。实验的探究性更体现在实施前思考的创造性上，引导学生通过科学推理解决实验中的问题，可以较好地避免单纯分组实验导致的“现象总结式”的低层次学习过程。

1． 分析教材，提出问题

高中生物必修1《分子与细胞》（人教版）第4章第1节：物质跨膜运输的实例，核心内容是“探究植物细胞的吸水和失水实验”。在前面细胞基本结构的基础上，通过物质跨膜运输的实例引导学生深入了解细胞膜选择透过性的特点，为后面细胞膜结构模型以及物质跨膜运输方式的学习做好知识铺垫。本章三节课之间存在较强的逻辑关系。

由表1可见，第1节在引导学生发现问题、分析问题、设计实验、解决问题等方面具有不可替代的作用，着重点在于培养学生的能力。以往的教学过程，常常让学生按照教科书上的实验步骤进行分组实验，仅仅是为了验证一个结论，丢弃了其中的推理和分析过程，造成学生比葫芦画瓢，忽略了学生思维能力的培养和提升。

新教材（人教版）为了突出实验探究能力的培养，以“探究植物细胞的吸水和失水”为题，以“提出问题—作出假设—设计实验—进行实验—分析结果得出结论—表达交流”为主线，并辅以每个步骤的参考案例，引导学生进行探究。在实际教学过程中，抛开参考案例进行教学，会导致学生思维过于发散，很难组织引导学生进行有效且深入的思考；利用参考案例，则会使学生的思维过于定向，并且降低了探究性，不利于学生探究能力的提升，很难达到预期教学目标。实验的探究性更体现在实施前思考的创造性上，而实验的实施不过是对思考的验证过程。在教学实践中，将该实验划分成为两个课时，第一课时主要进行探究性实验的分析与推理训练；第二课时进行分组实验。明显提高了教学的有效性，教学目标的达成也水到渠成。

2．实验分析

2.1类比推理

类比推理是根据两个或两类对象有部分属性相同，从而推出它们的其他属性也相同的推理。简称类推、类比。“植物细胞可以通过渗透作用吸水和失水”是和“渗透作用实验”进行类比推理得出的结论。

表2：渗透作用实验与植物细胞吸水和失水实验的类比

类比推理的过程是：渗透作用装置有半透膜，半透膜两侧有浓度差，所以可以发生渗透作用。植物细胞的原生质层有选择透过性，原生质层两侧具有浓度差（生活状态的细胞周围是植物吸收的水和无机盐组成的溶液，细胞液具有一定的浓度），所以植物细胞液可以通过渗透作用吸水和失水。但这仅仅是一个推理的结论，是否成立，需要实验验证。

漏斗渗透作用实验和细胞吸水与失水实验的原理相同，学习漏斗渗透作用实验的目的，是为了通过类比推理得出植物细胞的吸水和失水也是通过渗透作用实现的。在教学实践中，如果将二者进行分析与类比，不仅可以得出这个结论，还可以更好地理解植物细胞的吸水和失水过程。另外，在比较二者原理及过程的基础上，如果再进一步分析影响吸水的因素及其变化过程，则能够在理解的基础上培养学生的推理及思维能力，并能够激发兴趣和养成良好的思维习惯。下面表2是两个实验的类比项目列表。

表3：渗透作用实验与植物细胞的吸水与和失水实验的深化分析比较

表格中2个引导问题可以较好地激发学生的思考兴趣，他们乐于分析与讨论，又可以较好地引导学生分析表格中其他问题，从而让学生理解吸水力的变化过程以及吸水速率的变化过程。较好地达成思维训练的教学目标。

2.2 演绎推理

在教学过程中，如果仅仅让学生观察质壁分离与复原现象，忽略推理过程，就会使学习过程简单化，其结果是死记硬背。尽管有了实验的体验过程，却仅仅局限于低层次的实验现象总结。

演绎推理，就是从一般性的前提出发，通过推导即“演绎”，得出具体陈述或个别结论的过程。关于植物细胞的吸水与失水实验，其推理过程为：①蔗糖溶液中的植物细胞，液泡体积变小，说明液泡内有物质渗出；液泡颜色变深，说明色素等分子没有出来；②液泡体积能够变大，说明蔗糖分子没有进入液泡，否则原生质层内外没有了浓度差，液泡体积就不会变小；③清水中的植物细胞，液泡体积变大，颜色变浅，说明有水分子渗入；根据演绎推理的步骤，推理过程表示如下：

表4：植物细胞吸水和失水实验的演绎推理过程

教学实践表明，让学生寻找细胞发生渗透失水的论据，可以较好地调动学生思维的积极性。而这个过程需要教师设计一系列探究性问题，通过问题引导学生进行分析推理，让学生既接受了探究性思维的训练，又掌握了实验的逻辑推理方法。

3．教学建议

如何推动学生积极地思考，是教学有效性的基本特征，而兴趣是前提条件。所以，设计有趣且具一定挑战性的思考题就成了本节课成功的保证。

在完成了渗透作用实验之后，复习成熟植物细胞的结构，提出“原生质层”的概念。原生质层相当于一层半透膜吗？植物细胞能否通过渗透作用吸水和失水？即使所提出的假设是有依据的，也仅仅是一种推测，这种推测是否正确，还需要实验来检验。

3.1  问题引导，寻找渗透失水与吸水的证据

要证明成熟植物细胞的原生质层是否相当于一层半透膜，只需证明成熟植物细胞能否通过渗透作用吸水和失水即可， 要想观察到植物细胞吸水和失水，必须将植物细胞置于何处？观察到什么现象才能说明植物细胞通过渗透作用吸水或失水了？液泡体积变小只能说明液泡内的溶液减少了，并非说明减少的只有水，如何才能说明细胞失去的只有水？ 已经发生质壁分离的细胞放入清水中，观察到什么现象能说明植物细胞通过渗透作用吸水？为什么？

3.2  类比分析，深化对实验的理解

以问题引导学生和渗透作用实验进行类比分析，进行推理分析训练，并能更好地理解植物细胞的吸水和失水过程。细胞在失水过程中，液泡能无限缩小吗？为什么？细胞在失水过程中，细胞的吸水能力有变化吗？变大还是变小？细胞能无限吸水吗？为什么？细胞在吸水过程中，受哪些因素的影响？这些因素是促进细胞吸水，还是抑制细胞吸水？

这些问题具有较强的探究性，学生在思考和讨论的过程中能够理解促进吸水的力量主要来自细胞内外的渗透压：细胞内外溶液的浓度差→渗透压→逐渐变小；抑制细胞吸水的力量主要来自细胞壁对原生质层的压力：液泡变大使原生质层向外扩张→细胞壁对原生质层造成压力→逐渐变大。由此，学生可以理解在质壁分离过程中，细胞失水速率逐渐变小，吸水力逐渐变大；在细胞质壁分离复原过程中，细胞吸水速率逐渐变小，吸水力也逐渐变小。

3.3  解决问题,促成知识迁移

问题：将一个已经发生质壁分离的细胞置于低浓度的蔗糖溶液中，细胞的液泡逐渐变大，后来液泡体积不再发生变化，请分析，此时细胞液的浓度和外界溶液的浓度是否相等？这个问题需要学生从两个角度进行思考，一是此时细胞壁和原生质层之间还没有压力，没有接触或者仅仅是接触而没有压力，这种状况下，细胞液和外界溶液浓度相等；二是此时细胞壁和原生质层之间已经产生了压力，之所以不再吸水，是因为细胞壁的束缚作用，这种状况下，细胞液浓度大于外界溶液浓度。经过讨论，学生将所学知识整体化与系统化，内化为解决问题的能力，这个过程将较好地促成知识迁移。

4．教后反思

新课程倡导探究性学习，教辅资料中实验过程的解析常常会使探究性实验失去探究性，使单纯的学生分组实验成为一个比葫芦画瓢的简单过程。如何提高探究性实验的探究性？如何在实验课上增加学生的思维容量，从而更好地进行思维训练？是值得我们思考的。本课的教学在这方面进行了有益的探索，在一定程度上解决了上述问题。

主要参考文献

1.刘本举．“植物对水分的吸收和利用”复习课教学．生物学教学，2008，33（8）：35-37