“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”的實驗教學(xué)設(shè)計

夏 天

(浙江省余姚市第四中學(xué) 315400)

1 教材與學(xué)情分析

“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”是浙科版高中生物學(xué)必修1[1]第3章第5節(jié)“光合作用”中的活動，也是高中生物學(xué)中的一個開放性探究實驗。通過本實驗學(xué)生可體驗科學(xué)探究的一般流程。在本實驗前，學(xué)生已經(jīng)進行過“驗證活細胞吸收物質(zhì)的選擇性”“探究酶的專一性”“探究pH對過氧化氫酶的影響”等相關(guān)的驗證和探究實驗，初步掌握自變量、因變量和無關(guān)變量的概念，以及對照實驗、控制變量、設(shè)置濃度梯度、重復(fù)實驗等實驗設(shè)計基本知識。

實驗裝置的設(shè)計是本實驗的難點之一。但學(xué)生在初中階段進行過“綠葉在光照下制造淀粉”“光合作用產(chǎn)生氧氣”“沉入水底的葉圓片為什么會浮上水面”等實驗[2]，了解相關(guān)的實驗裝置，可通過啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗裝置。此外，《浙江省普通高中生物學(xué)實驗手冊(必修1·分子與細胞)》[3]也提供了很多參考實驗裝置。在義務(wù)教育階段，學(xué)生已在數(shù)學(xué)課和信息技術(shù)課中掌握了統(tǒng)計表和統(tǒng)計圖的類型及繪制，并在高中信息技術(shù)課中進一步鞏固。因此，學(xué)生能夠設(shè)計實驗表格、繪制折線圖，具備以圖表形式呈現(xiàn)實驗結(jié)果的能力。

2 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)浙江省普通高中學(xué)科教學(xué)的相關(guān)指導(dǎo)文件[4～5]，結(jié)合本實驗的特點，可確定主要教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生能對研究的問題設(shè)計實驗方案、對研究結(jié)果作出假設(shè)和預(yù)期、能處理和解釋數(shù)據(jù)、得出合理的結(jié)論。

3 教學(xué)準(zhǔn)備

除準(zhǔn)備實驗材料、試劑和用具外，還要完成導(dǎo)學(xué)案的設(shè)計、下發(fā)和批閱，實驗分組以及預(yù)實驗。

3.1 導(dǎo)學(xué)案設(shè)計、下發(fā)和批閱 導(dǎo)學(xué)案分為5個部分：一、學(xué)習(xí)目標(biāo)。二、思考題：①根據(jù)同學(xué)們已有的生物學(xué)知識和人們的生產(chǎn)、生活經(jīng)驗，列出影響光合作用的環(huán)境因素。②在大家列出的影響光合作用的環(huán)境因素中，選擇其中的一種因素，分析這種因素是如何影響光合作用的。在小組范圍內(nèi)討論，對這個問題提出本組的假設(shè)。三、實驗設(shè)計：根據(jù)你們組的假設(shè)，設(shè)計單因子對照實驗方案。①你們組的實驗中，自變量、因變量和無關(guān)變量是什么？②實驗中，如何定義自變量，怎么控制無關(guān)變量？③實驗中，通過什么方法測量因變量(光合速率/光合強度)？④實驗裝置設(shè)計。四、實驗結(jié)果與分析(表格與坐標(biāo)圖)。五、實驗結(jié)論。

在實驗前兩天下發(fā)導(dǎo)學(xué)案，以小組為單位完成思考題和實驗設(shè)計。實驗前一天上交導(dǎo)學(xué)案，教師進行批閱。

3.2 預(yù)實驗 科技新苗小組進行預(yù)實驗，確定實驗方案——葉圓片法，設(shè)置各子實驗的梯度實驗，并錄制預(yù)實驗視頻。

4 教學(xué)過程

4.1 導(dǎo)學(xué)案思考題分析 以PPT的形式呈現(xiàn)學(xué)生的回答，請小組代表進行分析，并進行充分討論。從而完成科學(xué)探究中“提出問題、作出假設(shè)”這兩步。

4.2 設(shè)計單因子對照實驗，確定實驗方案 首先，PPT回顧初中《科學(xué)》中“綠葉在光照下制造淀粉”“光合作用產(chǎn)生氧氣”和“沉入水底的葉圓片為什么會浮上水面”3個實驗。再簡要分析實驗手冊中的參考實驗裝置。接著，以PPT的形式呈現(xiàn)學(xué)生的實驗設(shè)計，請小組代表介紹各自的實驗設(shè)計。介紹完后，其他學(xué)生提問，該小組解答。為了統(tǒng)一實驗方案，最后由科技新苗小組代表匯報預(yù)實驗情況，確定實驗方案——葉圓片法(即初中“沉入水底的葉圓片為什么會浮上水面”實驗所采用的方法)，并播放預(yù)實驗視頻，演示實驗操作。從CO2濃度、溫度和光強度3個角度探究環(huán)境因素對光合作用的影響，每個子實驗由3組完成，即3次重復(fù)實驗。至此，完成科學(xué)探究的“設(shè)計實驗方案”。

4.3 分組實驗 本實驗分為3個子實驗：①探究CO2濃度(NaHCO3濃度)對光合作用的影響：設(shè)置蒸餾水、0.5% NaHCO3濃度、1% NaHCO3濃度和1.5% NaHCO3濃度4組；②探究溫度對光合作用的影響：設(shè)置10℃、20℃、30℃和40℃共4組；③探究光強度(光源與實驗裝置之間的距離)對光合作用的影響：設(shè)置遮光、15 cm、10 cm和5 cm共4組。當(dāng)NaHCO3濃度作為無關(guān)變量時，濃度為1%；當(dāng)溫度為無關(guān)變量時，為室溫；當(dāng)光強度(光源距離)為無關(guān)變量時，保持5 cm。

光合速率用單位時間內(nèi)上浮的葉圓片數(shù)量來衡量。在實驗進行到5 min和10 min時，分別記錄上浮的葉圓片數(shù)量。學(xué)生分為9組，每個子實驗由3組完成。得到實驗結(jié)果后，將實驗數(shù)據(jù)記錄在導(dǎo)學(xué)案和黑板上。至此，完成科學(xué)探究的“進行實驗”。

4.4 實驗數(shù)據(jù)分析，得出實驗結(jié)論 學(xué)生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求出均值，并作復(fù)式折線圖。教師引導(dǎo)學(xué)生討論實驗結(jié)果的呈現(xiàn)是否正確，并補充圖表規(guī)范的相關(guān)知識。

然后，學(xué)生分析表格數(shù)據(jù)和折線圖，得出實驗結(jié)論：①CO2濃度：在一定范圍內(nèi)，NaHCO3濃度增加，光合速率加快；②溫度：光合作用存在最適溫度，在此溫度之前，光合速率隨溫度升高而加快，在此溫度之后，光合速率隨溫度升高而下降；③光強度：光合速率隨光強度增加而增加，但達到光飽和點后，光強度再增加光合速率不再增加。至此，完成科學(xué)探究的“分析實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)論”。最后，教師以流程圖的形式總結(jié)科學(xué)探究的一般流程。

5 教學(xué)反思

本實驗強調(diào)了學(xué)生的實驗設(shè)計能力和數(shù)據(jù)分析、呈現(xiàn)能力，以及掌握科學(xué)探究的一般流程。若要充分鍛煉學(xué)生的這些能力，至少用2課時來進行本活動，第1課時完成“提出問題，作出假設(shè)，設(shè)計實驗方案”，第2課時完成“進行實驗，分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論”。本實驗還可培養(yǎng)學(xué)生嚴謹縝密的科學(xué)思維、實事求是的科學(xué)態(tài)度。例如，在本實驗中，應(yīng)注意衡量的因變量實際上是表觀光合速率。再如，在實驗過程中，一個小組因操作錯誤而沒有數(shù)據(jù)，讓該組數(shù)據(jù)缺省即可。

此外，可以根據(jù)教材提供的可選材料(黑藻或金魚藻、水、冰塊、NaHCO3、精密pH試紙、100 W聚光燈、溫度計、大燒杯、不同顏色的玻璃紙)進行相關(guān)的拓展實驗。

(基金項目：浙江省余姚市2017年度教研課題“基于核心素養(yǎng)的高中生物實驗創(chuàng)新與教學(xué)研究”，No. jy17104403)