基于生命观念的实验创新设计

摘要

基于核心素养要求，利用生物学材料自制模型，借此展示气孔的组成并模拟气孔的开闭原理，一方面让学生直接感受和理解气孔开闭的原理，另一方面能帮助学生准确建构结构与功能观，从而提高其生物学核心素养。

Graphical abstract

关键词

气孔 / 模拟实验 / 创新实验 / 生命观念 / 实验创新设计 / 教具制作

“绿色植物参与生物圈的水循环”是义务教育教科书鲁科版（五•四学制）生物学教材六年级的内容，围绕该节学生主要学习绿色植物通过蒸腾作用参与生物圈的水循环等知识。气孔是植物蒸腾失水的“门户”，理解蒸腾作用的原理及影响因素，关键需要引导学生通过探究实验来观察叶片表面的气孔并准确理解气孔开闭的原理。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》指出，生物学课程要培养的核心素养主要包括生命观念、科学思维、探究实践、态度责任^［1］，其中结构与功能观是生命观念中的重要内容。在实际教学过程中，尽管学生通过显微镜能直接观察到叶片表面的气孔，但观察不到围成气孔的保卫细胞的细胞壁厚薄不均匀的现象，同时也观察不到气孔开闭的过程。为此，笔者创新性地利用鲜活的生物学材料自制模拟气孔开闭原理的模型，借此能够让学生直观感知气孔开闭的过程和原理，取得了理想的实验教学效果。

1 传统模拟实验的问题

为了有效突破气孔开闭原理这个教学重难点，笔者查阅资料发现，很多教师用长条形的气球来模拟保卫细胞^［2］，但经尝试后发现其实验过程存在以下问题。

（1） 在气球的一侧粘上透明胶带或双面胶，所模拟的保卫细胞的细胞壁厚薄不均匀。

（2） 在气球充气过程中，粘上的透明胶带或双面胶非常容易脱落，从而导致实验失败。

（3） 往气球内充气的操作较为不易，充气不足，效果不明显；充气过多，气球容易爆炸。

（4） 该教具制作费时长，且使用寿命短，同时教师需要用更多时间安排整个实验过程，影响了教学进度。

（5） 该教具的制作和演示没有做到把复杂问题简单化，而是加重了学生的思维负担。

2 利用自制教具改进实验

（1） 实验选材。

笔者偶然发现了一段美食视频《蒜薹怎么炒成花》，视频中把蒜薹切段，小米辣切成丁，再把蒜薹段穿入小米辣中，用刀从一头片成十字，两头都片好后，将其放入水中，一段时间后蒜薹就开花了。据此笔者发现，蒜薹就是较好的实验材料。将蒜薹从中间切开后，内外两侧的壁厚薄不一，这跟保卫细胞非常像。蒜薹的外皮厚，可模拟保卫细胞的外壁；蒜薹的内里薄，可模拟保卫细胞的内壁。蒜薹泡在水中吸水一段时间后，由于内里和外皮的张力不一样而发生弯曲，可模拟保卫细胞的内外壁因张力不一样吸水时向外弯曲、气孔张开的现象。

（2） 教具制作。

蒜薹切段，然后纵向劈成两半，将劈成两半的蒜薹外皮背靠背，在两端用线扎紧，放入水中10 min（图1-a），由于蒜薹的外皮占据面积太大，所以蒜薹弯曲现象不明显，不能完美展示气孔的开闭。笔者把蒜薹段纵向以“十字”方式劈成4份，选取其中两段，将两段蒜薹的外皮背靠背，两端用线扎紧，放入水中10 min（图1-b），效果不理想。在第一次改进基础上再次对实验进行改进，用小的橡皮筋只捆住蒜薹的一端，将其放入水中10 min（图1-c），效果特别明显。

（3） 教具应用。

上课前给学生准备好切成段的蒜薹，让学生按照要求自己动手制作气孔模型；制作好模型后，将其放入清水中；30 min后，教师让学生仔细观察实验现象，思考并分析其中的原因。

课后，教师可以先让学生将气孔模型拿出来，再将其自然晾干或者放入食盐水中；一段时间后，再次观察“气孔”的状态，引导学生对比实验前后的现象，思考并分析其中的原因，从而帮助学生体验、感知并理解气孔开闭的原理。

3 教学效果及反思

利用蒜薹模拟气孔开闭原理实验，具有材料易得的优点，同时采用蒜薹模拟保卫细胞，使实验现象更加生动、形象。学生在制作创新模型时，既运用了工程学的原理，又联系了炒“蒜薹花”的生活实例，能够培养学生的跨学科思维和创新意识。

学生在利用创新模型进行观察和分析时，能够主动建构“结构与功能相适应”的生命观念，对其实验探究能力和科学思维的培养具有推动作用，有利于其核心素养的培养。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育生物学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 吴琳，王其鹤.不断改进自制模型　演绎气孔开闭原理［J］. 中学生物教学，2019（Z1）：87-89.

基金资助

淄博市教育科学“十四五”规划2023年度课题“跨学科视域下初中生物学创新实验的开发与实践研究”(2023ZJY049)