专题探究手册设计：实验设计反思

教材是教学目标与要求的具体化，是教师进行教学的主要用书，也是学生学习知识和培养能力的主要材料。构建与科学科创课程培养目标相匹配的专题探究手册，是保障课程实施效果的重要举措。下面以“探究不同矿物质元素对植物生长发育的影响”专题的探究手册为例，具体介绍我校科学科创课程专题探究手册的具体内容与特色（由于版面有限，探究手册略作删减）。

探究不同矿物质元素对植物生长发育的影响

一、研究背景

矿物质元素是植物细胞结构或新陈代谢的基本组成成分，对植物的生长发育起着重要的作用。植物对各种元素的需要量尽管不一样，但各种元素在植物的生命代谢中各自有不同的生理功能，相互间是同等重要且不可代替的，了解各种元素的生理功能对于科学施肥和优质高产具有重要的意义。在植物生长发育过程中，当植物长期缺少某种元素时，则相应地要在形态结构与生理功能等方面发生反应，产生症状。严重者会降低产量和品质，甚至死亡。因此，对作物表现出的营养元素缺乏，进行正确的诊断与防治尤为重要。关于作物缺素的研究，自20世纪60年代后期就开始有报道。

拟南芥是十字花科植物，因其具有植株矮小、生长周期短、结籽多等优点而被广泛应用于植物遗传学和分子生物学等研究中。目前拟南芥的培养方法主要有蛭石和营养土混合营养介质与营养液培养两类。前者因操作简便而被广泛采用，但是由于固体介质不能严格控制介质中的营养物质浓度，给研究者带来诸多不便。用含有一定量植物所需养分的水溶液培养植物的方法称为溶液培养法或水培法，水培法的优点在于可以通过更换营养液的方法精确控制根系营养成分，比土壤种植提供了一个更统一规范且可复制的培养系统，是拟南芥等植物营养学研究的理想培养方式。

二、研究意义

本实验通过配制基础培养液使其含有多种植物生长所必须的矿物质营养元素，去除营养液中某一矿物质元素的添加，来进行拟南芥生长时全素或单一元素的缺素培养，观察拟南芥的表观状态、测定形态指标与生理指标来确定某一元素缺失对植物生长的影响。本实验对于合理施肥及消除植物缺素现象有一定的现实意义。

三、研究内容

（1）P、K、Ca、Mg、Fe缺失对拟南芥表观状态的影响

（2）P、K、Ca、Mg、Fe缺失对拟南芥形态指标的影响

（3）P、K、Ca、Mg、Fe缺失对拟南芥生理指标的影响

四、自主实验设计

4.1　实验设计

（针对研究内容，自主查阅文献，完成实验设计。内容包含实验目的、假说、材料与方法、参考文献等。在实验方法中需明确对照组与实验组，样本量大小，自变量与应变量等重要实验设置信息。）

4.2　实验设计反思

（完成该专题探究活动后，对比自主实验设计内容与探究手册实验设计内容，进行实验设计的总体反思。）

五、实验方法与步骤

5.1　分光光度计使用方法

5.1.1　分光光度计原理

分光光度计采用一个可以产生多个波长的光源，通过系列分光装置，从而产生特定波长的光源，波长范围为380～780 nm的可见光区和200～380 nm的紫外光区。光线透过测试的样品后，部分光线被吸收，计算样品的吸光值，从而转化成样品的浓度。朗伯比尔定律是分光光度法的基本定律，是描述物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系。

5.1.2　分光光度计的运用

预热；改变波长；校准；测量；关机；注意事项

5.2　拟南芥的培养

拟南芥种子消毒；营养液配制；水培装置的制作；播种

5.3　拟南芥生长表观状态的观察

（1）长出幼苗后，每天对植株表型进行观察，观察记录植株的生长状态，缺素症出现的时间、部位、典型症状，叶片颜色、根部颜色等。在处理7、14、21天（d）时，统一进行拍照记录。

（2）填写数据表

表1　不同处理拟南芥长势照片

（3）结果分析与讨论

（4）实验过程反思

5.4　形态指标的测定——叶片数测定

（1）处理7、14、21 d时，统一测定不同处理组内长势较为一致的10根植株的健康完整叶片个数，取平均值，并记录。

（2）填写数据表

表2　不同处理下拟南芥叶片数

（3）根据表格数据绘制统计图

（4）结果分析与讨论(https://www.xing528.com)

（5）实验过程反思

5.5　形态指标的测定——苗高测定

5.6　形态指标的测定——根长测定

5.7　形态指标的测定——苗重、根重及根冠比测定

5.8　叶绿素含量测定

六、拓展实验

1.探究缺氮对不同植物的影响。

2.探究缺素对植物抗性的影响。

3.探究缺磷对植物根系活力的影响。

4.其他

七、拓展知识

1.模式生物

2.模式生物拟南芥

3.拟南芥的一般生物学特性

4.植物生长矿物质元素

5.必须营养元素的主要生理功能

八、思考题

1.缺素培养为什么会对植物的正常生长造成影响？

2.分析水培法的优、缺点，探讨水培法的其他应用场景。

3.重金属培养对植物生长的可能影响。

九、参考文献

［1］杨慧仙，张婷，苗菁，等.缺素对3种豆类植物幼苗生长发育的影响［J］.山西农业科学，2019，47（02）：166—172＋199.

［2］刘忠新，刘莉梅.浅议植物生长所必须的营养元素与其生理功能［J］.农村实用科技信息，2007（12）：8.

［3］马宗琪，邱念伟.植物营养液的配制与应用［J］.生物学教学，2012，37（02）：57—58.

［4］赵淑清，郭剑波.一种简单快速的拟南芥水培方法的研究［J］.生物学杂志，2000（06）：22—23.

［5］陈庆彬，雷凯健，赵航，等.一种适于营养胁迫研究的拟南芥水培方法［J］.植物学报，2014，49（04）：462—468.

1.内容设置

在探究手册的编撰过程中，我们着重培养学生的探究精神与能力，所以在常规探究手册所包含的研究背景、研究意义、研究内容、实验方法与步骤、结果与讨论的基础上，我们加入了自主实验设计、拓展实验、拓展知识、思考题、参考文献这五个部分，并在实验结果与分析部分加入实验反思环节。专题探究手册各部分的顺序与内容见下表：

表2-2-8　专题探究手册主要内容介绍

2.设计特色

生物学、环境科学与自然科学都是以观察和实践为基本研究方法的实验科学，通过专题实验的教学可以激发学生对生物学、环境科学与自然科学学习的兴趣，帮助学生形成正确的学科概念，获得知识与技能，也有助于学生在实验过程中培养科学态度和科学方法。基于上述学科特点与培养目标，我校的专题探究手册设置了极具针对性的丰富内容，现将设计特色总结如下：

（1）重视科学探究设计能力的培养。　科学探究设计能力是科学探究能力的较高层次，培养和提高学生的科学探究设计能力不仅可以使学生获取和巩固科学知识，还有助于激发学生的学习兴趣，培养学生的创新能力，提高学生的科学素养。我校科学专题探究手册着重强调了对学生科学探究设计能力的培养，在每一个专题探究手册中都设置了“自主实验设计”模块。要求学生一开始先阅读研究背景，明确研究意义，之后便根据研究内容进行自主实验设计。在设计实验的过程中，学生应充分利用在“科研基础”公共专题中学习到的知识与技能，撰写详细的实验设计方案，并在课堂上与所有师生交流分享。值得注意的是，在自主实验设计的过程中，我们要求学生不可以翻阅探究手册后面给出的实验方法与步骤，而是由学生完全独立自主地搜索文献并完成实验设计。但在之后的正式探究过程中，我们依旧按照探究手册中的实验步骤进行探究。待所有探究活动结束后，学生需要对比手册与自主实验设计的区别，进而总结反思自身设计中的不足，提高实验设计能力。

（2）重视自主实施科学探究能力的培养。　要培养学生的自主学习能力，就需要教师转变观念与角色，放手让学生自己去探索。毕竟中学生的科学知识与技能薄弱，实验操作训练不足，所以在专题探究手册的编撰中，我们特意将方法与步骤的内容细化，并且注明某些重要步骤的操作注意事项，确保可以指导学生的每一步操作。以专题“探究不同矿物质元素对植物生长发育的影响”为例，实验步骤中详细描述了分光光度计的原理及使用步骤，包含预热、改变波长、校准、测量、关机及注意事项。拟南芥培养部分则包含了拟南芥种子消毒、营养液配制、水培装置的制作与播种的详细描述信息。通过阅读专题探究手册中的实验方法与步骤，学生可以非常明确实验的每一步该如何完成，这就大大激发了学生独立自主实施科学探究的兴趣，培养了学生的科学探究实践能力。

（3）重视反思对科学探究能力的培养。　在探究教学中，检验、反思与调整是问题解决过程中的重要一环，但大多数学生在解决问题时很少意识到自己的思维过程，缺乏自我反思的意识，造成学习效率不高。在专题探究手册中，我们强调“反思”对学生科学探究能力的培养。在自主实验设计部分及每一个实验结果记录与分析部分，我们都加入了反思的环节。在完成整个探究性学习后，对自主实验设计方案进行反思，可促进学生总结原先设计的不足之处，帮助学生提高探究设计能力。在得到实验结果后对实验实施过程进行反思，有助于学生总结实践操作过程中的不足，提高学生的动手实践能力。

（4）重视满足与引导学生进一步的学术研究意愿。　真正的学习绝不应该只满足于教师课堂所授及教科书的内容，在科学探究的学习过程中我们积极鼓励与引导学生进行深入学习。在专题探究手册中，我们在最后设置了拓展实验、拓展知识与思考题、参考文献，以满足与引导学生进行深入学习。以专题“探究不同矿物质元素对植物生长发育的影响”为例，学生探究了P、K、Ca、Mg、Fe缺失对拟南芥表观状态、形态指标及生理指标的影响，而在拓展实验部分我们给出了“探究缺氮对不同植物的影响”“探究缺素对植物抗性的影响”“探究缺磷对植物根系活力的影响”这三个拓展实验选项，鼓励学生打开思路，探究同一元素缺失对不同植物是否会有不同的影响；探究某一元素缺失是否会对植物其他生理活动，例如抗性及根系活力带来影响。同时，在拓展实验部分我们亦鼓励学生根据自身学习兴趣自主提出拓展探究实验。拓展知识部分则是研究背景的详细描述与扩充，以满足学生全面与深入了解专题。同时，在拓展知识之后我们设计了思考题，例如“缺素培养为什么会对植物的正常生长造成影响”“分析水培法的优、缺点，探讨水培法的其他应用场景”和“重金属培养对植物生长的可能影响”，引导学生思考实验结论背后的科学原理，实验方法的选择依据与其他应用，推导延伸问题结论。参考文献部分提供了学生了解专题相关内容的专业文献资料，可以满足学生高水平的学术研究需求。