邱 陽(yáng)閆 霞

（1北京市第九中學(xué) 北京 100041 2北京市第一0一中學(xué) 北京 100091）

1 理論依據(jù)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論［1］提倡探究性學(xué)習(xí)，在教學(xué)過(guò)程中，教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。教師提供一定的方法和依據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組合作等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任［2］。

在“探究根向地性的產(chǎn)生機(jī)制”一節(jié)復(fù)習(xí)課中，以探究性學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，以科學(xué)家多個(gè)真實(shí)的研究過(guò)程為素材，引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)探究的情境下，按照一定邏輯關(guān)系分析重力作用導(dǎo)致根向地生長(zhǎng)的機(jī)制，過(guò)程中滲透了歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等科學(xué)思維方法；針對(duì)根的向地生長(zhǎng)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行交流與討論，提高學(xué)生的科學(xué)思維水平和科學(xué)探究能力，逐步建立生命觀念，并初步培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任。

2 學(xué)情分析

學(xué)生通過(guò)高二新課的學(xué)習(xí)，已經(jīng)基本掌握生長(zhǎng)素的本質(zhì)、產(chǎn)生部位、運(yùn)輸方式和作用特點(diǎn)等基礎(chǔ)知識(shí)，但應(yīng)用生長(zhǎng)素的相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力欠佳。學(xué)生的科學(xué)思維水平和科學(xué)探究能力等學(xué)科核心素養(yǎng)尚未達(dá)到新課標(biāo)要求，需要通過(guò)高三復(fù)習(xí)逐步提升。

學(xué)生對(duì)根向地生長(zhǎng)這一生命現(xiàn)象比較感興趣，樂(lè)于用生物學(xué)知識(shí)解釋現(xiàn)象，喜歡探索未知事物，有一定的邏輯分析能力。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）利用根向地性的系列實(shí)驗(yàn)，課堂再現(xiàn)科學(xué)家探究根向地性的科學(xué)情境，指導(dǎo)學(xué)生在新情境下完成觀察、提問(wèn)、設(shè)計(jì)和討論等活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2）通過(guò)對(duì)大量科學(xué)證據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和推理，逐步得出重力作用導(dǎo)致根向地生長(zhǎng)的機(jī)制模型，提升學(xué)生的科學(xué)思維水平。

3）通過(guò)對(duì)根尖結(jié)構(gòu)探索得出根向地生長(zhǎng)的機(jī)制，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能觀；根向地性的形成是植物長(zhǎng)期適應(yīng)自然環(huán)境的結(jié)果，體現(xiàn)進(jìn)化與適應(yīng)觀。

4 教學(xué)過(guò)程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題 利用多媒體出示植物向光性、向地性、向水性的照片，說(shuō)明植物不能像許多動(dòng)物那樣自由活動(dòng)，但受到單向外界因素的刺激時(shí)，會(huì)發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱作植物的向性運(yùn)動(dòng)；一般認(rèn)為向性運(yùn)動(dòng)與植物體內(nèi)的生長(zhǎng)素分配不均有關(guān)［3］。激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲，明確本節(jié)課的目標(biāo)是探究根向地性的產(chǎn)生機(jī)制。

4.2 回顧基礎(chǔ)，應(yīng)用提升 為解釋根向地生長(zhǎng)的原因，請(qǐng)學(xué)生回顧生長(zhǎng)素的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，寫出生長(zhǎng)素的本質(zhì)、產(chǎn)生部位、運(yùn)輸方式和作用特點(diǎn)并交流。教師根據(jù)學(xué)生答案進(jìn)行補(bǔ)充講解，例如極性運(yùn)輸是主動(dòng)運(yùn)輸，需要載體和能量；植物體不同部位對(duì)生長(zhǎng)素敏感度不同等。

請(qǐng)學(xué)生應(yīng)用生長(zhǎng)素的作用特點(diǎn)，解釋根向地生長(zhǎng)的原因。學(xué)生容易說(shuō)出根尖橫向放置時(shí)，生長(zhǎng)素受重力作用，近地側(cè)濃度高，遠(yuǎn)地側(cè)濃度低；又因?yàn)楦鶎?duì)生長(zhǎng)素敏感，上部生長(zhǎng)素濃度低，促進(jìn)生長(zhǎng)，下部生長(zhǎng)素濃度過(guò)高，抑制生長(zhǎng)，結(jié)果導(dǎo)致根向地彎曲。

教師概括原因：重力作用導(dǎo)致生長(zhǎng)素分布不均造成根向地彎曲。

4.3 提出質(zhì)疑，深入探究 引導(dǎo)學(xué)生對(duì)上述解釋提出質(zhì)疑：例如“根的向地彎曲確實(shí)是重力作用導(dǎo)致的嗎？重力作用如何導(dǎo)致生長(zhǎng)素分布不均？你觀察到生長(zhǎng)素的分布情況了嗎？”等相關(guān)問(wèn)題。明確上述解釋只是根據(jù)生長(zhǎng)素特點(diǎn)提出的一種假說(shuō)，如果要證明上述假說(shuō)需要充分的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)探究的重要性。

4.3.1 驗(yàn)證重力作用及感受重力的部位［4］請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明重力作用是導(dǎo)致根向地生長(zhǎng)的原因。學(xué)生容易想到將植物放到無(wú)重力的太空中，觀察根的生長(zhǎng)情況，并預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果為根的向地性消失?？蒲腥藛T做過(guò)該實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與學(xué)生的預(yù)期一致。上述實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明重力作用是導(dǎo)致根向地性的原因。

如何證明感受重力作用的部位在根尖？學(xué)生容易想到切除根尖后橫向放置，預(yù)期根的向地性消失，可證明根尖是感受重力作用的部位。

學(xué)生初步嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并預(yù)期結(jié)果，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，感受實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的快樂(lè)。

4.3.2 驗(yàn)證IAA分布不均［3］假說(shuō)中還提到了重力作用導(dǎo)致IAA分布不均，如何證明根中出現(xiàn)了IAA分布不均的現(xiàn)象？此時(shí)從宏觀水平進(jìn)入微觀水平，引導(dǎo)學(xué)生思考如何觀察IAA的分布。學(xué)生可能會(huì)想到生物學(xué)中常用的同位素示蹤技術(shù)標(biāo)記并通過(guò)放射性顯示IAA的分布。教師明確科研人員早期確實(shí)用這種方法做過(guò)實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)效果不理想，原因是IAA是植物激素，在植物體內(nèi)含量極少。如何才能更好地觀察到IAA的分布情況？教師提供背景資料：GFP基因是綠色熒光蛋白基因，其表達(dá)產(chǎn)物可顯綠色熒光；DR5是一種IAA敏感型啟動(dòng)子，表達(dá)強(qiáng)度會(huì)隨IAA濃度增加而增強(qiáng)。請(qǐng)學(xué)生通過(guò)小組討論，寫出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，小組代表發(fā)言。學(xué)生容易根據(jù)信息聯(lián)想到學(xué)過(guò)的基因工程的知識(shí)，并通過(guò)小組合作提出合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，基本過(guò)程如下：將DR5和GFP基因連接后導(dǎo)入植物細(xì)胞，并培育成轉(zhuǎn)基因植物，分別觀察正常生長(zhǎng)和橫向放置的根尖部位的熒光分布。預(yù)期結(jié)果：向地側(cè)綠色熒光強(qiáng)度大于背地側(cè)。

此時(shí)展示科研人員真正完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1），結(jié)果與學(xué)生的預(yù)期一致，學(xué)生容易根據(jù)結(jié)果快速得出結(jié)論。激發(fā)學(xué)生的探究熱情，進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

圖1 DR5啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)下綠色熒光蛋白（GFP）的表達(dá)（示生長(zhǎng)素的分布）［3］

4.3.3 淀粉體的發(fā)現(xiàn)與生長(zhǎng)素運(yùn)輸模型［3，5］重力作用如何引起生長(zhǎng)素分布不均？很多學(xué)生認(rèn)為是生長(zhǎng)素分子受到重力作用出現(xiàn)沉降造成的。此時(shí)明確地告訴學(xué)生，生長(zhǎng)素是一種易溶于水的小分子有機(jī)物，其水溶液可以穩(wěn)定地存在，不會(huì)受重力作用出現(xiàn)沉降，并追問(wèn)什么樣的分子才會(huì)出現(xiàn)沉降？例如不溶于水的大分子。此時(shí)展示科學(xué)家利用電子顯微鏡觀察到的根尖照片（圖2），指導(dǎo)學(xué)生觀察根尖某些細(xì)胞中淀粉體的位置。學(xué)生容易發(fā)現(xiàn)淀粉體的位置始終在細(xì)胞下部，推測(cè)淀粉體很可能是感受重力的物質(zhì)。運(yùn)用類比推理的方法引導(dǎo)學(xué)生思考：觀察到淀粉體分布不均，而剛才證明了生長(zhǎng)素也出現(xiàn)了分布不均，二者是否存在某種聯(lián)系？推測(cè)很可能是淀粉體導(dǎo)致了IAA的分布不均。出示電鏡下觀察到淀粉體壓迫內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的現(xiàn)象，為探究Ca2+的作用埋下伏筆。

圖2 淀粉體在根尖細(xì)胞中的分布

淀粉體是如何導(dǎo)致IAA分布不均的？此時(shí)學(xué)生需要建立淀粉體與IAA之間的聯(lián)系。教師展示淀粉體影響根尖IAA運(yùn)輸模型（圖3），請(qǐng)學(xué)生根據(jù)模型進(jìn)行小組討論并分析原因。學(xué)生討論得出淀粉體可通過(guò)影響IAA的運(yùn)輸從而造成IAA分布不均，培養(yǎng)其運(yùn)用模型解決問(wèn)題的能力。

圖3 植物根尖生長(zhǎng)素運(yùn)輸模型［5］

4.3.4 探究Ca2+的作用［6］淀粉體通過(guò)何種方式影響IAA的運(yùn)輸？與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)有關(guān)嗎？提醒學(xué)生回憶剛才看到的淀粉體壓迫內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的現(xiàn)象，并告訴學(xué)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是一種含有大量Ca2+的細(xì)胞器，在很多細(xì)胞的研究中均發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可通過(guò)釋放Ca2+傳遞信息。根據(jù)上述信息，學(xué)生提出推測(cè)：Ca2+與根的向地彎曲有關(guān)。

為了驗(yàn)證與根向地彎曲的關(guān)系，科研人員進(jìn)行了材料1的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生閱讀材料1并分析曲線圖所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。

材料1：為進(jìn)一步探究Ca2+的作用，科研人員將水稻幼苗水平置于培養(yǎng)基中，分別用不同濃度的Ca2+和EDTA （可與Ca2+結(jié)合使其失去活性）處理根，每天測(cè)定根的彎曲角度，結(jié)果如圖4。

請(qǐng)分析Ca2+和EDTA對(duì)根向地彎曲的影響，并得出結(jié)論。

圖4 不同濃度的Ca2+和EDTA對(duì)水稻根彎曲角度的影響［6］

教師指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用分析橫縱坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比等方法，分別得出高濃度的Ca2+可促進(jìn)根的向地彎曲，高濃度的EDTA可抑制根的向地彎曲的結(jié)論。

4.3.5 得出Ca2+作用機(jī)制，建立根向地性模型［5］

Ca2+如何影響IAA定向運(yùn)輸？科研人員又通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)最終得出橫向放置的根尖細(xì)胞向地性機(jī)制模式圖（圖5）。讓學(xué)生用準(zhǔn)確的文字描述圖中所示的機(jī)制，小組討論并展示。

圖5 橫向放置的根尖細(xì)胞向地性機(jī)制［5］

根據(jù)學(xué)生發(fā)言總結(jié)得出，Ca2+通過(guò)結(jié)合并激活鈣調(diào)蛋白，鈣調(diào)蛋白結(jié)合生長(zhǎng)素泵導(dǎo)致IAA定向運(yùn)輸，再由細(xì)胞水平上升到組織水平；很多細(xì)胞均按照這種方式運(yùn)輸IAA，最終決定了IAA在根中向地測(cè)含量高，從而導(dǎo)致向地彎曲的現(xiàn)象。

4.4 結(jié)合模型，質(zhì)疑討論 提示學(xué)生思考上述過(guò)程還有哪些環(huán)節(jié)不太清楚，最初的假說(shuō)是否正確。培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)能力，提倡批判性思維。此時(shí)學(xué)生提出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+的機(jī)制不清楚，鈣離子泵的作用不明確等相關(guān)問(wèn)題。

師生共同討論“根為什么會(huì)向地生長(zhǎng)”，得出根的結(jié)構(gòu)決定了其可以向地生長(zhǎng)，有利于根完成其吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和固定植物體的功能；此外根的這種特性可提高植物體適應(yīng)環(huán)境的能力，是經(jīng)長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程形成的，體現(xiàn)生命觀念中的結(jié)構(gòu)與功能觀和進(jìn)化與適應(yīng)觀。

4.5 總結(jié)方法，探索建議 學(xué)生課后通過(guò)查閱文獻(xiàn)，嘗試解決自己剛剛提出的問(wèn)題。推薦使用“百度學(xué)術(shù)”等科研檢索工具（https：//xueshu.baidu.com/）。

5 板書設(shè)計(jì)

圖6 板書設(shè)計(jì)

6 教學(xué)反思

本節(jié)課所選的素材均取自真實(shí)的科學(xué)研究。將多個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)組合成一條環(huán)環(huán)相扣的邏輯鏈，引領(lǐng)學(xué)生按照科學(xué)思維過(guò)程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，層層遞進(jìn)，最終得出根向地生長(zhǎng)的機(jī)制。機(jī)制細(xì)節(jié)之處仍然有值得質(zhì)疑之處，給學(xué)生留有思考的空間。

本節(jié)課所提供的研究素材，不是要求學(xué)生從知識(shí)上掌握這些內(nèi)容，而是希望學(xué)生在利用這些素材解決問(wèn)題的過(guò)程中，培養(yǎng)綜合能力，提升核心素養(yǎng)。

課程中設(shè)計(jì)了大量師生共同分析討論的環(huán)節(jié)，留出時(shí)間讓學(xué)生將自己的想法書寫在學(xué)案上，向?qū)W生提供查閱科研論文的方法等，為學(xué)生將來(lái)從事科學(xué)研究工作做好鋪墊。