運(yùn)用科研素材培養(yǎng)科學(xué)思維的教學(xué)設(shè)計(jì)

段寅佳 唐贇 楊在君 周裕志

摘要 以“其他植物激素”為例，通過(guò)對(duì)相關(guān)科研素材的分析，讓學(xué)生逐步掌握赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、乙烯等植物激素的生理作用，理解植物激素間的協(xié)同和拮抗等關(guān)系，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題，從而構(gòu)建生物學(xué)概念，培養(yǎng)科學(xué)思維等學(xué)科核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞高中生物學(xué) 植物激素 科研素材 科學(xué)思維

中圖分類號(hào) G633.91????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，科學(xué)思維是高中生物學(xué)四大學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是學(xué)生適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展和個(gè)人生活的基礎(chǔ)。在高中生物學(xué)教學(xué)中，充分運(yùn)用科研素材，讓學(xué)生在科研素材的分析中獲取知識(shí)，完善生物學(xué)知識(shí)體系，可較好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的培養(yǎng)。下面以“其他植物激素”為例，介紹科研素材在科學(xué)思維培養(yǎng)中的運(yùn)用。

1 教材分析

“其他植物激素”是人教版《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第五章第二節(jié)的內(nèi)容，包含赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、乙烯等植物激素的生理作用，以及植物激素間的協(xié)同和拮抗關(guān)系等，是構(gòu)建“舉例說(shuō)明幾種主要植物激素的作用，這些激素可通過(guò)協(xié)同、拮抗等方式共同實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)”和“舉例說(shuō)明生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、脫落酸和乙烯等植物激素在生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用”兩個(gè)次位概念，最終構(gòu)建大概念“生命個(gè)體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，各結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)統(tǒng)一共同完成復(fù)雜生命活動(dòng)，并通過(guò)一定的調(diào)節(jié)機(jī)制保持穩(wěn)態(tài)”的基礎(chǔ)。理解植物激素之間的拮抗作用和協(xié)同作用是教學(xué)難點(diǎn)。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）明確細(xì)胞分裂素、赤霉素、脫落酸和乙烯的主要作用，認(rèn)同植物的生長(zhǎng)發(fā)育受植物體內(nèi)多種激素共同調(diào)節(jié)。

（2）通過(guò)科研素材的分析，了解赤霉素的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，分析植物激素的變化規(guī)律和相互之間的作用關(guān)系，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。

（3）通過(guò)理論與實(shí)例的結(jié)合，關(guān)注植物激素在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，嘗試解決生產(chǎn)實(shí)踐問(wèn)題，樹立社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1情境創(chuàng)設(shè)，問(wèn)題導(dǎo)入

情境素材：研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯有休眠期，收獲的馬鈴薯度過(guò)休眠期后才能萌發(fā)，但大棚種植中，用赤霉素處理馬鈴薯塊莖，能使馬鈴薯提前萌發(fā)、提前上市，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。

情境問(wèn)題：（1）為什么要用赤霉素處理馬鈴薯塊莖？（2）用赤霉素處理馬鈴薯塊莖說(shuō)明赤霉素有什么生理作用？（3）赤霉素還有其它生理作用嗎？（4）農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，除了赤霉素還有其它嗎？

設(shè)計(jì)意圖：以科研素材“赤霉素處理馬鈴薯塊莖，實(shí)現(xiàn)大棚提前種植馬鈴薯”為切入點(diǎn)，讓學(xué)生了解生物學(xué)知識(shí)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；促進(jìn)學(xué)生積極思考，訓(xùn)練科學(xué)思維；初步了解赤霉素的生理作用，為進(jìn)一步掌握赤霉素的生理作用以及細(xì)胞分裂素等植物激素的生理作用打基礎(chǔ)。

3.2分析素材，掌握赤霉素

3.2.1赤霉素的發(fā)現(xiàn)史

科研素材：①1926年，科學(xué)家觀察到，當(dāng)水稻感染了赤霉菌后，會(huì)出現(xiàn)植株瘋長(zhǎng)的現(xiàn)象，病株往往比正常植株高50%以上，并且結(jié)實(shí)率大大降低，因而稱為惡苗病。②研究者將赤霉菌培養(yǎng)基的濾液噴施到水稻幼苗上，發(fā)現(xiàn)這些幼苗雖然沒(méi)有感染赤霉菌，但也出現(xiàn)惡苗病的癥狀。③1935年，科學(xué)家從培養(yǎng)基濾液中分離出致使水稻患惡苗病的物質(zhì)，稱之為赤霉素。④20世紀(jì)50年代，科學(xué)家從未受赤霉菌感染的植物體內(nèi)分離出赤霉素，發(fā)現(xiàn)赤霉素在植物中普遍存在，而且知道了植物體內(nèi)的赤霉素包括許多種。

思考討論：（1）由素材①推測(cè)，水稻患惡苗病的直接原因可能是什么？怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明？（2）素材②支持水稻惡苗病的病因是什么？（3）素材③和④誰(shuí)支持赤霉素是植物激素？為什么？（4）素材①-③證明赤霉素具有什么樣的生理作用？（5）為什么在濾液中分離提取出赤霉素的20多年后，才從植物體內(nèi)分離出赤霉素？由此說(shuō)明科學(xué)探究是一個(gè)什么樣的過(guò)程？

設(shè)計(jì)意圖：以發(fā)現(xiàn)赤霉素的科研素材為基礎(chǔ)，在問(wèn)題串的引導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析問(wèn)題，深入了解赤霉素的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，明確赤霉素的部分生理作用，訓(xùn)練科學(xué)思維能力，知道科學(xué)研究是漫長(zhǎng)而艱辛的過(guò)程。 3.2.2赤霉素的生理功能

科研素材：科研工作者用不同濃度的赤霉素處理棉花種子和葡萄幼果，觀察種子的發(fā)芽情況和葡萄幼果的生長(zhǎng)情況，得表1和表2所示數(shù)據(jù)。

思考討論：（1）分析表1數(shù)據(jù)推知赤霉素的生理功能是什么？（2）分析表2數(shù)據(jù)推知赤霉素的生理功能是什么？（3）赤霉素還有什么功能？能否在教材中尋找到答案？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生以科研數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析得出赤霉素促進(jìn)種子萌發(fā)和果實(shí)生長(zhǎng)的生理作用；以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)獲知赤霉素的其它生理作用，結(jié)合前文的導(dǎo)入和“素材分析”，讓學(xué)生全面掌握赤霉素的生理作用、訓(xùn)練邏輯分析等科學(xué)思維能力。

3.2.3推測(cè)赤霉素分布，概括赤霉素知識(shí)

討論問(wèn)題：（1）赤霉素體現(xiàn)“促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)，從而引起植株增高”等生理功能的部位分別是哪里？（2）赤霉素發(fā)揮功能的部位有什么共性特點(diǎn)？（3）能否推測(cè)出赤霉素的合成部位并用一句話概括？（4）能否用表格概括赤霉素的相關(guān)知識(shí)？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生從赤霉素功能部位出發(fā)，總結(jié)出赤霉素發(fā)揮功能的部位具有生長(zhǎng)旺盛的共性，由此推測(cè)赤霉素的合成部位是生長(zhǎng)旺盛的幼芽、幼根、幼果和未成熟的種子等；學(xué)生通過(guò)概括赤霉素知識(shí)，形成如表3所示知識(shí)表單；培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和生命觀念等學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.3分析科研素材，掌握細(xì)胞分裂素、乙烯和脫落酸

科研素材：①1948年，研究者發(fā)現(xiàn)一些物質(zhì)能誘導(dǎo)組織培養(yǎng)中煙草切段的細(xì)胞分裂，且能促進(jìn)芽的形成，后命名為激動(dòng)素。此后，又發(fā)現(xiàn)了多種天然的和人工合成的具有激動(dòng)素生理活性的化合物。當(dāng)前，把從玉米或其他植物中分離或人工合成的具有激動(dòng)素相同生理活性的化合物，統(tǒng)稱為細(xì)胞分裂素。細(xì)胞分裂素可用于果樹和蔬菜上，主要用于促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)大，提高坐果率，延緩葉片衰老。在進(jìn)行組織培養(yǎng)時(shí)，向培養(yǎng)基中加入細(xì)胞分裂素會(huì)促進(jìn)細(xì)胞的分裂、生長(zhǎng)和發(fā)育。細(xì)胞分裂素能延遲花和果實(shí)的衰老，給切花噴灑細(xì)胞分裂素有利于其保鮮。②1864年，法國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)煤氣燈旁樹木比正常樹木更容易脫落，鑒定出導(dǎo)致脫落的活性物質(zhì)是乙烯。1901年，俄國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)豌豆苗呈現(xiàn)出三重反應(yīng)，莖伸長(zhǎng)減少，橫向生長(zhǎng)增加，不正常的水平生長(zhǎng)。但是如果給豌豆苗通風(fēng)，豌豆呈現(xiàn)出正常生長(zhǎng)。后來(lái)在實(shí)驗(yàn)中證明是乙烯發(fā)揮的作用。1910年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)發(fā)霉的橘子可以催熟香蕉，大量的青霉菌可以產(chǎn)生乙烯。在葉片脫落過(guò)程中，乙烯能促進(jìn)離層形成。③1961年研究者從成熟棉鈴里分離出一種能使葉柄脫落加速的物質(zhì)結(jié)晶，稱為脫落素Ⅰ。1963年從棉花幼鈴中分離出另一種加速脫落的物質(zhì)結(jié)晶，叫做脫落素Ⅱ。同年從槭樹將要脫落的葉子里分離出一種抑制物質(zhì)，能使生長(zhǎng)中的幼苗和芽休眠，命名為休眠素。1965年，科學(xué)家證明休眠素和脫落素Ⅱ是同一物質(zhì)。1967年在第六屆國(guó)際植物生長(zhǎng)物質(zhì)會(huì)議上，統(tǒng)一稱為脫落酸（ABA）。

思考討論：（1）科研素材①-③分別呈現(xiàn)了什么植物激素的發(fā)現(xiàn)過(guò)程？（2）從激素的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，可推測(cè)出相應(yīng)激素的具體功能嗎？（3）你能結(jié)合教材，用學(xué)習(xí)赤霉素的方式，以表3形式總結(jié)出細(xì)胞分裂素、乙烯和脫落酸的合成部位和主要作用嗎？

設(shè)計(jì)意圖：以科研素材為基礎(chǔ)，讓學(xué)生了解細(xì)胞分裂素、乙烯和脫落酸的發(fā)現(xiàn)過(guò)程并分析其功能、推測(cè)其合成部位；學(xué)生能舉例說(shuō)明幾種主要植物激素的作用，為構(gòu)建大概念打基礎(chǔ)，訓(xùn)練科學(xué)思維能力。

3.2.4植物激素的協(xié)同作用

科研素材：科研工作者以豌豆為材料，研究生長(zhǎng)素（IAA）和赤霉素（GA）對(duì)植物節(jié)間伸長(zhǎng)的影響，其結(jié)果如圖1所示。

思考討論：（1）能用自己的話描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果嗎？（2）生長(zhǎng)素和赤霉素的生理作用具有共性嗎？（3）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果能得出什么結(jié)論？

設(shè)計(jì)意圖：以科研素材為基礎(chǔ)，讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確IAA和GA均具有促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用，但 IAA 的促進(jìn)效應(yīng)較 GA 明顯；IAA 和 GA 兩種激素同時(shí)存在時(shí)，具有明顯的增效作用；學(xué)生認(rèn)同生長(zhǎng)素和赤霉素能協(xié)同促進(jìn)莖段的伸長(zhǎng)，理解植物激素的協(xié)同作用，明確概念“植物激素能通過(guò)協(xié)同實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)”；培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)以及信息獲取與加工能力。

3.2.5植物激素的拮抗作用

科研素材：某科研人員對(duì)白熟期草莓進(jìn)行不同激素注射處理，每隔一天取樣，探討脫落酸與生長(zhǎng)素在草莓果實(shí)成熟過(guò)程中的相互作用，得表4數(shù)據(jù)。

思考討論：（1） A、B 與 D 對(duì)照能得什么結(jié)論？（2） C 與A、B、D對(duì)照能得什么結(jié)論？（3）本實(shí)驗(yàn)證明脫落酸與生長(zhǎng)素具有什么關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：以科研素材為基礎(chǔ)，讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確脫落酸促進(jìn)果實(shí)成熟、生長(zhǎng)素抑制果實(shí)成熟，二者可相互抵消對(duì)方的作用，理解植物激素的拮抗作用；明確概念“植物激素能通過(guò)拮抗實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)”；培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)以及信息獲取與加工能力。

3.2.6植物激素的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)調(diào)控關(guān)系

科研素材：植物的生長(zhǎng)發(fā)育受多種激素的共同作用，圖2為獼猴桃果實(shí)發(fā)育和成熟過(guò)程中相關(guān)激素的動(dòng)態(tài)變化。

思考討論：（1）獼猴桃果實(shí)發(fā)育和成熟過(guò)程中每種激素的含量怎么變化？（2）激素含量達(dá)到高峰的時(shí)間有什么特點(diǎn)？由此說(shuō)明植物激素調(diào)節(jié)具有什么性？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)同在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，各種激素的含量都是動(dòng)態(tài)變化的，不同激素的調(diào)節(jié)還往往表現(xiàn)出一定的順序性，多種激素通過(guò)協(xié)同與拮抗作用相互影響，形成植物激素調(diào)控網(wǎng)，同時(shí)訓(xùn)練邏輯分析等科學(xué)思維能力。

3.3解決情境問(wèn)題，深化概念理解

問(wèn)題情境：（1）果農(nóng)為了控制柑橘和葡萄柚的落果，使之在未采摘時(shí)不脫落，可以噴灑何種激素？在使用激素時(shí)需要注意什么？（2）同一塊地的漿果也會(huì)長(zhǎng)勢(shì)不同，為了使?jié){果便于機(jī)械采收，又可以如何處理？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注植物激素在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，學(xué)生能舉例說(shuō)明植物激素在生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用，深化概念的理解，助力生物學(xué)大概念構(gòu)建；提高學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

4 教學(xué)反思

在“其他植物激素”一節(jié)教學(xué)過(guò)程中，以科研素材為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維，分析掌握赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、乙烯等植物激素單獨(dú)的生理作用和分布，理解植物激素的協(xié)同、拮抗關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)，解決生產(chǎn)生活問(wèn)題。在此過(guò)程中，學(xué)生構(gòu)建

了上述兩個(gè)次位概念，為學(xué)科大概念的構(gòu)建打下基礎(chǔ)，學(xué)生發(fā)展了科學(xué)思維等學(xué)科核心素養(yǎng)，將有助力學(xué)生全面發(fā)展。

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