吳雅靜 （江蘇省南京市金陵中學(xué)仙林分校中學(xué)部 江蘇南京 210033）

本實驗探究內(nèi)容選自蘇教版《生物學(xué)》7 年級上冊第3 單元第5 章第1 節(jié)“植物種子的萌發(fā)”。教材中給出“影響種子萌發(fā)的外界條件是水或空氣或溫度”的假設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗探究，得出實驗結(jié)論。本文在教材推薦的實驗變量的基礎(chǔ)上，增加土壤、光照、營養(yǎng)液、模擬酸雨的酸性溶液4 個實驗變量，探究這些外界條件對種子萌發(fā)的影響。同時將綠豆植株繼續(xù)培養(yǎng)，以探究綠色葉片在光下是否產(chǎn)生淀粉。

1 原實驗的不足之處

1）種子：教材中選取大豆種子或蠶豆種子。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，這2 種種子發(fā)芽慢，且觀察周期長。

2）裝置：教材推薦小容器，但未說明具體采用什么裝置。

3）外界條件：教材中探究的外界條件為水、空氣或溫度。有學(xué)生提出質(zhì)疑，僅根據(jù)這些實驗變量判斷種子萌發(fā)所需的外界條件不夠科學(xué)，應(yīng)該增加幾種與植物生長相關(guān)的其他變量因子。

2 改進后的實驗

2.1 優(yōu)化與拓展之處

1）種子：選取綠豆種子為實驗材料。綠豆種子只需1 d，胚根就可突破種皮。

2）裝置：于南京仙東花卉苗木基地購置育苗盤。育苗盤由網(wǎng)格盤和底盤組成，種子放置于網(wǎng)格盤中，底盤盛水。種子萌發(fā)后植株的根由網(wǎng)格延伸至底盤中吸水，無需再放棉花或紙巾保持水分，也無需采取海綿等固定根系。育苗盤可盛裝的種子數(shù)多，減少因種子數(shù)量少而引起的實驗誤差；網(wǎng)格盤格子整齊，方便計數(shù)。

3）外界條件：在教材所探究的影響種子萌發(fā)的外界條件基礎(chǔ)上，增加土壤、光照、營養(yǎng)液、酸性溶液4 個調(diào)控因子。

4）注重教材前、后知識的聯(lián)系：將綠豆幼苗在遮光和光照條件下的葉片顏色進行比較，發(fā)現(xiàn)葉綠素的形成需要光，這部分實驗知識可應(yīng)用到7 年級上冊第6 章第2 節(jié)“植物光合作用的場所”。酸性溶液對綠豆種子萌發(fā)的影響可遷移至7 年級下冊第13 章第1 節(jié)“模擬酸雨影響植物種子的萌發(fā)”。

2.2 實驗器材 綠豆種子、育苗盤、標(biāo)簽紙、蒸餾水、冰箱、土壤、豆科植物營養(yǎng)液、白醋、蓄電植物生長燈等。

2.3 實驗方法 教師組織學(xué)生利用課余時間查閱有關(guān)植物種子萌發(fā)的資料，設(shè)計實驗方案，在課堂進行匯報。學(xué)生經(jīng)過思維火花的碰撞后，設(shè)計出最佳實驗方案。選擇發(fā)芽快的綠豆種子為研究材料，采用育苗盤作為實驗裝置。教師將班級學(xué)生分為8 個小組，每個小組進行1 種實驗變量的探究，小組合作完成本實驗。具體的實驗設(shè)計如下：

1）有水組：量取800 mL 蒸餾水于育苗盤中，隨機選取40 粒綠豆種子均勻置于育苗盤網(wǎng)格上，整個裝置置于朝南臨窗的實驗臺上，室溫為25℃。

2）無水組：隨機選取40 粒綠豆種子均勻置于育苗盤網(wǎng)格上，不加水，放置環(huán)境同有水組。

3）無充足空氣組：量取1 300 mL 煮沸再冷卻的蒸餾水于育苗盤中，重復(fù)有水組操作，并在水面添加一些植物油以隔絕空氣。

4）低溫組：重復(fù)有水組操作，但將裝置置于冰箱保鮮層，溫度設(shè)置為4℃，并添加蓄滿電的植物生長燈，設(shè)置植物生長燈每天的光照時間為8 h。

5）土壤組：將已高溫滅菌的土壤覆蓋在育苗盤網(wǎng)格上，隨機選取40 粒綠豆種子均勻播種，再添加適量的蒸餾水，放置環(huán)境同有水組。

6）遮光組：重復(fù)有水組操作，將裝置置于不見光但透氣的實驗室儲物柜中。

7）營養(yǎng)液組：參考華南農(nóng)業(yè)大學(xué)豆科營養(yǎng)液配方，配制豆科植物營養(yǎng)液作為肥料，量取800 mL營養(yǎng)液于育苗盤中，不再加水，之后重復(fù)有水組操作。

8）酸性溶液組：利用白醋配制酸性溶液（pH=3.0）以模擬酸雨，量取800 mL 酸性溶液于育苗盤中，不再加水，之后重復(fù)有水組操作。

在8 張標(biāo)簽紙上分別標(biāo)記有水、無水、無充足空氣、低溫、土壤、遮光、營養(yǎng)液、酸性溶液，將標(biāo)簽紙貼在育苗盤附近。

2.4 觀察與記錄 學(xué)生連續(xù)7 d 每天定時觀察并記錄各變量組種子的發(fā)芽數(shù)量和植株高度，第7天記錄植株主根長度等數(shù)據(jù)，填寫記錄表格，并拍照上傳至生物科學(xué)探究微信群。同時，加水或溶液的變量組要及時添加適量的水或溶液，防止因水分或溶液不足而影響種子萌發(fā)和植株生長。

2.5 結(jié)果與分析

1）不同的外界條件培養(yǎng)的綠豆種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率

各組每天記錄實驗種子的發(fā)芽數(shù)量，再計算種子的發(fā)芽勢和7 d 的發(fā)芽率。計算方法：發(fā)芽勢（%）=實驗時間內(nèi)單日發(fā)芽數(shù)最多的發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；發(fā)芽率（%）=實驗時間內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%。表1 是不同外界條件培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢與發(fā)芽率記錄情況，其中，發(fā)芽勢統(tǒng)計的是種子萌發(fā)第1 天的數(shù)據(jù)，發(fā)芽率統(tǒng)計的是種子萌發(fā)第6 天的數(shù)據(jù)。綠豆種子出芽快，種子吸水后種皮脹破，胚根首先突破種皮發(fā)育成根。無水、無充足空氣、低溫、酸性溶液條件下，種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均為0。無充足空氣組培育的綠豆種子種皮脹破，胚未發(fā)育，種皮脫落，種子逐漸腐爛、發(fā)臭。有水組、土壤組、遮光組和營養(yǎng)液組自播種24 h 后單日發(fā)芽數(shù)即達到最大值，其中，有水組培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均達到100%，土壤組培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率相對較低。

表1 不同外界條件培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢（種子萌發(fā)第1 天）與發(fā)芽率（種子萌發(fā)第6 天）

2）不同的外界條件對綠豆植株主根長度的影響。圖1 為綠豆幼苗生長至第7 天時，不同實驗變量對綠豆植株主根長度的影響。由圖可見，在遮光條件下植株的主根最長，而土壤培養(yǎng)的植物主根最短。

圖1 不同外界條件下培養(yǎng)的綠豆植株主根長度（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）

3）不同的外界條件對綠豆株高的影響。圖2顯示了不同外界條件下培養(yǎng)的綠豆在7 d 中的株高變化。由圖可見，不同條件培養(yǎng)的綠豆在7 d中的株高均呈上升狀態(tài)。遮光條件下培養(yǎng)的綠豆種子，從第2 天起株高超過其他培養(yǎng)組，至第7天時綠豆植株高達30 cm，但植株瘦弱，易倒伏。土壤培養(yǎng)的綠豆植株株高略低于其他組。

圖2 不同外界條件下培養(yǎng)的綠豆株高變化情況

3 討論及結(jié)論

教師組織各小組學(xué)生根據(jù)種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和植物生長情況進行討論交流，學(xué)生得出該組實驗結(jié)論，教師進行實驗結(jié)論匯總。

1）根據(jù)實驗現(xiàn)象和測定的生理數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：影響綠豆種子萌發(fā)的外界條件有適量的水、充足的空氣和適宜的溫度。這是因為種子中所含的淀粉和蛋白質(zhì)等物質(zhì)在這些條件下，才能轉(zhuǎn)變成能被胚利用的營養(yǎng)物質(zhì)。綠豆種子在不加土壤、遮光、不加營養(yǎng)液培養(yǎng)的條件下均可萌發(fā)，說明綠豆種子的萌發(fā)與土壤、光照、營養(yǎng)液等因素?zé)o關(guān)。據(jù)表1 數(shù)據(jù)記錄，模擬酸雨的酸性溶液培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均為0，說明模擬的酸雨溶液嚴(yán)重抑制種子萌發(fā)。

2）將遮光組和有水組培養(yǎng)的綠豆種子的萌發(fā)狀況相比較，表明光并不是影響綠豆種子萌發(fā)的條件。在遮光條件下，葉綠素?zé)o法合成，長出的植株葉片發(fā)黃，植株徒長，植株的主根長度和株高都超過其他組。這是由于光控制細胞的分化、結(jié)構(gòu)和功能的改變，最終匯集成組織和器官的建成[1]。在遮光情況下，植株形態(tài)建成差，植物細胞分化能力減弱，細胞伸長能力強。教師可收集相應(yīng)的圖片，在第6 章第2 節(jié)“葉綠體是光合作用的場所”部分進行講解。但有少數(shù)植物的種子，在有光的條件下才能萌發(fā)良好，例如，擬南芥、煙草和萵苣等[2]。

3）土壤作為植物生長的固定基質(zhì)，在植物種子萌發(fā)和生長過程中并不是必需的?，F(xiàn)代化的植物工廠里有大量的水培和霧培植物從播種開始生長。種子的子葉或胚乳中貯藏營養(yǎng)物質(zhì)，為種子萌發(fā)提供營養(yǎng)，所以，種子萌發(fā)與外界是否施加肥料無關(guān)。pH 值為3.0 的酸性溶液抑制了綠豆種子的萌發(fā)，這也可聯(lián)系7 年級下冊教材第13章第1 節(jié)“模擬酸雨影響植物種子的萌發(fā)”的相關(guān)探究內(nèi)容。

4 相關(guān)拓展

學(xué)生對于上述實驗中綠豆植株在有光和遮光條件下的生長狀況很感興趣，對此提出問題：葉綠素的形成需要光，綠豆的綠葉光合作用究竟產(chǎn)生了什么物質(zhì)？教師引導(dǎo)學(xué)生參考教材第6 章第3 節(jié)的相關(guān)實驗內(nèi)容，小組討論并設(shè)計實驗，教師再將實驗流程進行匯總，帶領(lǐng)學(xué)生共同完成該實驗。經(jīng)多次實驗探究發(fā)現(xiàn)，將綠豆植株繼續(xù)培養(yǎng)至第16 天時，實驗現(xiàn)象就很明顯。圖3 展示的是綠豆播種培養(yǎng)至第16 天時葉片經(jīng)酒精脫色后用碘液處理的實驗現(xiàn)象，葉片遮光部分（中間）呈現(xiàn)淺黃色，照光部分（兩端）呈現(xiàn)深藍色，說明綠豆的綠葉光合作用產(chǎn)生了淀粉。由此可見，本實驗選用的綠豆植株容易培養(yǎng)，葉片薄，脫色迅速，葉片含淀粉多，脫色后葉片完整不破裂，實驗現(xiàn)象明顯。

圖3 酒精脫色后經(jīng)碘液檢測的綠豆葉片

綜上所述，以綠豆為實驗材料，探究影響種子萌發(fā)的外界因素，結(jié)果表明，綠豆種子萌發(fā)所需的外界條件是適量的水、充足的空氣和適宜的溫度，而與光照、土壤、肥料等條件無關(guān)，模擬酸雨的酸性溶液會抑制綠豆種子的萌發(fā)。同時對該實驗進行延伸，將綠豆植株繼續(xù)培養(yǎng)，對綠豆綠葉的光合作用進行探究，實驗現(xiàn)象明顯。相比教材中推薦的受試植物天竺葵，綠豆植株培養(yǎng)時間短，實驗成功率高。本實驗注重教材知識的前、后關(guān)聯(lián)，增強了實驗的連續(xù)性。教師在引導(dǎo)學(xué)生進行實驗的過程中，學(xué)生的科學(xué)探究能力、實驗創(chuàng)新能力和高階思維等都得到了較大的提升，促進了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。