运用科研素材培养科学思维的教学设计

段寅佳 唐贇 杨在君 周裕志

摘要 以“其他植物激素”为例，通过对相关科研素材的分析，让学生逐步掌握赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯等植物激素的生理作用，理解植物激素间的协同和拮抗等关系，并运用所学知识解决农业生产问题，从而构建生物学概念，培养科学思维等学科核心素养，实现全面发展。

关键词高中生物学 植物激素 科研素材 科学思维

中图分类号 G633.91              文献标志码 B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，科学思维是高中生物学四大学科核心素养之一，是学生适应未来社会发展和个人生活的基础。在高中生物学教学中，充分运用科研素材，让学生在科研素材的分析中获取知识，完善生物学知识体系，可较好地实现科学思维的培养。下面以“其他植物激素”为例，介绍科研素材在科学思维培养中的运用。

1 教材分析

“其他植物激素”是人教版《选择性必修1·稳态与调节》第五章第二节的内容，包含赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯等植物激素的生理作用，以及植物激素间的协同和拮抗关系等，是构建“举例说明几种主要植物激素的作用，这些激素可通过协同、拮抗等方式共同实现对植物生命活动的调节”和“举例说明生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸和乙烯等植物激素在生产上得到了广泛应用”两个次位概念，最终构建大概念“生命个体的结构与功能相适应，各结构协调统一共同完成复杂生命活动，并通过一定的调节机制保持稳态”的基础。理解植物激素之间的拮抗作用和协同作用是教学难点。

2 教学目标

（1）明确细胞分裂素、赤霉素、脱落酸和乙烯的主要作用，认同植物的生长发育受植物体内多种激素共同调节。

（2）通过科研素材的分析，了解赤霉素的发现过程，分析植物激素的变化规律和相互之间的作用关系，形成严谨的科学思维。

（3）通过理论与实例的结合，关注植物激素在生产生活中的应用，尝试解决生产实践问题，树立社会责任担当。

3 教学过程

3.1情境创设，问题导入

情境素材：研究发现，马铃薯有休眠期，收获的马铃薯度过休眠期后才能萌发，但大棚种植中，用赤霉素处理马铃薯块茎，能使马铃薯提前萌发、提前上市，增加农业产值。

情境问题：（1）为什么要用赤霉素处理马铃薯块茎？（2）用赤霉素处理马铃薯块茎说明赤霉素有什么生理作用？（3）赤霉素还有其它生理作用吗？（4）农业应用中，除了赤霉素还有其它吗？

设计意图：以科研素材“赤霉素处理马铃薯块茎，实现大棚提前种植马铃薯”为切入点，让学生了解生物学知识在农业生产中的应用，激发学生学习兴趣；
促进学生积极思考，训练科学思维；
初步了解赤霉素的生理作用，为进一步掌握赤霉素的生理作用以及细胞分裂素等植物激素的生理作用打基础。

3.2分析素材，掌握赤霉素

3.2.1赤霉素的发现史

科研素材：①1926年，科学家观察到，当水稻感染了赤霉菌后，会出现植株疯长的现象，病株往往比正常植株高50%以上，并且结实率大大降低，因而称为恶苗病。②研究者将赤霉菌培养基的滤液噴施到水稻幼苗上，发现这些幼苗虽然没有感染赤霉菌，但也出现恶苗病的症状。③1935年，科学家从培养基滤液中分离出致使水稻患恶苗病的物质，称之为赤霉素。④20世纪50年代，科学家从未受赤霉菌感染的植物体内分离出赤霉素，发现赤霉素在植物中普遍存在，而且知道了植物体内的赤霉素包括许多种。

思考讨论：（1）由素材①推测，水稻患恶苗病的直接原因可能是什么？怎样设计实验证明？（2）素材②支持水稻恶苗病的病因是什么？（3）素材③和④谁支持赤霉素是植物激素？为什么？（4）素材①-③证明赤霉素具有什么样的生理作用？（5）为什么在滤液中分离提取出赤霉素的20多年后，才从植物体内分离出赤霉素？由此说明科学探究是一个什么样的过程？

设计意图：以发现赤霉素的科研素材为基础，在问题串的引导下设计实验、分析问题，深入了解赤霉素的发现过程，明确赤霉素的部分生理作用，训练科学思维能力，知道科学研究是漫长而艰辛的过程。

3.2.2赤霉素的生理功能

科研素材：科研工作者用不同浓度的赤霉素处理棉花种子和葡萄幼果，观察种子的发芽情况和葡萄幼果的生长情况，得表1和表2所示数据。

思考讨论：（1）分析表1数据推知赤霉素的生理功能是什么？（2）分析表2数据推知赤霉素的生理功能是什么？（3）赤霉素还有什么功能？能否在教材中寻找到答案？

设计意图：让学生以科研数据为基础，分析得出赤霉素促进种子萌发和果实生长的生理作用；
以问题驱动获知赤霉素的其它生理作用，结合前文的导入和“素材分析”，让学生全面掌握赤霉素的生理作用、训练逻辑分析等科学思维能力。

3.2.3推测赤霉素分布，概括赤霉素知识

讨论问题：（1）赤霉素体现“促进细胞伸长，从而引起植株增高”等生理功能的部位分别是哪里？（2）赤霉素发挥功能的部位有什么共性特点？（3）能否推测出赤霉素的合成部位并用一句话概括？（4）能否用表格概括赤霉素的相关知识？

设计意图：让学生从赤霉素功能部位出发，总结出赤霉素发挥功能的部位具有生长旺盛的共性，由此推测赤霉素的合成部位是生长旺盛的幼芽、幼根、幼果和未成熟的种子等；
学生通过概括赤霉素知识，形成如表3所示知识表单；
培养学生的科学思维和生命观念等学科核心素养。

3.3分析科研素材，掌握细胞分裂素、乙烯和脱落酸

科研素材：①1948年，研究者发现一些物质能诱导组织培养中烟草切段的细胞分裂，且能促进芽的形成，后命名为激动素。此后，又发现了多种天然的和人工合成的具有激动素生理活性的化合物。当前，把从玉米或其他植物中分离或人工合成的具有激动素相同生理活性的化合物，统称为细胞分裂素。细胞分裂素可用于果树和蔬菜上，主要用于促进细胞扩大，提高坐果率，延缓叶片衰老。在进行组织培养时，向培养基中加入细胞分裂素会促进细胞的分裂、生长和发育。细胞分裂素能延迟花和果实的衰老，给切花喷洒细胞分裂素有利于其保鲜。②1864年，法国科学家发现煤气灯旁树木比正常树木更容易脱落，鉴定出导致脱落的活性物质是乙烯。1901年，俄国科学家发现豌豆苗呈现出三重反应，茎伸长减少，横向生长增加，不正常的水平生长。但是如果给豌豆苗通风，豌豆呈现出正常生长。后来在实验中证明是乙烯发挥的作用。1910年，科学家发现发霉的橘子可以催熟香蕉，大量的青霉菌可以产生乙烯。在叶片脱落过程中，乙烯能促进离层形成。③1961年研究者从成熟棉铃里分离出一种能使叶柄脱落加速的物质结晶，称为脱落素Ⅰ。1963年从棉花幼铃中分离出另一种加速脱落的物质结晶，叫做脱落素Ⅱ。同年从槭树将要脱落的叶子里分离出一种抑制物质，能使生长中的幼苗和芽休眠，命名为休眠素。1965年，科学家证明休眠素和脱落素Ⅱ是同一物质。1967年在第六届国际植物生长物质会议上，统一称为脱落酸（ABA）。

思考讨论：（1）科研素材①-③分别呈现了什么植物激素的发现过程？（2）从激素的发现过程中，可推测出相应激素的具体功能吗？（3）你能结合教材，用学习赤霉素的方式，以表3形式总结出细胞分裂素、乙烯和脱落酸的合成部位和主要作用吗？

设计意图：以科研素材为基础，让学生了解细胞分裂素、乙烯和脱落酸的发现过程并分析其功能、推测其合成部位；
学生能举例说明几种主要植物激素的作用，为构建大概念打基础，训练科学思维能力。

3.2.4植物激素的协同作用

科研素材：科研工作者以豌豆为材料，研究生长素（IAA）和赤霉素（GA）对植物节间伸长的影响，其结果如图1所示。

思考讨论：（1）能用自己的话描述实验结果吗？（2）生长素和赤霉素的生理作用具有共性吗？（3）分析实验结果能得出什么结论？

设计意图：以科研素材为基础，让学生分析实验数据，明确IAA和GA均具有促进植物生长的作用，但 IAA 的促进效应较 GA 明显；
IAA 和 GA 两种激素同时存在时，具有明显的增效作用；
学生认同生长素和赤霉素能协同促进茎段的伸长，理解植物激素的协同作用，明确概念“植物激素能通过协同实现对植物生命活动的调节”；
培养学生的科學思维和科学探究素养以及信息获取与加工能力。

3.2.5植物激素的拮抗作用

科研素材：某科研人员对白熟期草莓进行不同激素注射处理，每隔一天取样，探讨脱落酸与生长素在草莓果实成熟过程中的相互作用，得表4数据。

思考讨论：（1） A、B 与 D 对照能得什么结论？（2） C 与A、B、D对照能得什么结论？（3）本实验证明脱落酸与生长素具有什么关系？

设计意图：以科研素材为基础，让学生分析实验数据，明确脱落酸促进果实成熟、生长素抑制果实成熟，二者可相互抵消对方的作用，理解植物激素的拮抗作用；
明确概念“植物激素能通过拮抗实现对植物生命活动的调节”；
培养学生的科学思维和科学探究素养以及信息获取与加工能力。

3.2.6植物激素的复杂网络调控关系

科研素材：植物的生长发育受多种激素的共同作用，图2为猕猴桃果实发育和成熟过程中相关激素的动态变化。

思考讨论：（1）猕猴桃果实发育和成熟过程中每种激素的含量怎么变化？（2）激素含量达到高峰的时间有什么特点？由此说明植物激素调节具有什么性？

设计意图：让学生通过数据分析，认同在植物生长发育过程中，各种激素的含量都是动态变化的，不同激素的调节还往往表现出一定的顺序性，多种激素通过协同与拮抗作用相互影响，形成植物激素调控网，同时训练逻辑分析等科学思维能力。

3.3解决情境问题，深化概念理解

问题情境：（1）果农为了控制柑橘和葡萄柚的落果，使之在未采摘时不脱落，可以喷洒何种激素？在使用激素时需要注意什么？（2）同一块地的浆果也会长势不同，为了使浆果便于机械采收，又可以如何处理？

设计意图：通过问题情境，引导学生关注植物激素在现代农业中的应用，学生能举例说明植物激素在生产上得到了广泛应用，深化概念的理解，助力生物学大概念构建；
提高学生分析解决问题的能力，增强学生的社会责任感。

4 教学反思

在“其他植物激素”一节教学过程中，以科研素材为基础，引导学生运用科学思维，分析掌握赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯等植物激素单独的生理作用和分布，理解植物激素的协同、拮抗关系和网络调节，解决生产生活问题。在此过程中，学生构建

了上述两个次位概念，为学科大概念的构建打下基础，学生发展了科学思维等学科核心素养，将有助力学生全面发展。

参考文献：

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