“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”的實驗教學(xué)案例*

趙廣宇 汪紹鑫

（成都市石室中學(xué) 四川成都 610041）

1 設(shè)計思想

本節(jié)課是在學(xué)生學(xué)習(xí)了光合作用的基礎(chǔ)知識以后，通過 “探究CO2濃度對光合作用強度的影響”的探究性實驗，力圖以CO2濃度作為自變量、以O(shè)2生成量作為因變量，引導(dǎo)學(xué)生探究CO2濃度變化對光合作用影響的本質(zhì)原因，以構(gòu)建光合作用過程的模型，進(jìn)而探索光反應(yīng)與暗反應(yīng)之間的關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生理解光合作用的內(nèi)涵。

本節(jié)課設(shè)計了2個學(xué)生自主探究實驗：一是探究CO2濃度變化對光合作用強度的影響；二是探究CO2濃度達(dá)到飽和點后，改變光照強度對光合作用強度的影響。教學(xué)過程采取教師引導(dǎo)下的學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，即 “假設(shè)—實驗—分析—結(jié)論—模型構(gòu)建”的方式，沿2條主線完成學(xué)習(xí)任務(wù)：一是知識主線，通過實驗探究的過程，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解光合作用過程的知識；通過自變量→CO2濃度與因變量→O2生成量之間關(guān)系的討論，構(gòu)建光反應(yīng)與暗反應(yīng)之間的關(guān)系，最終實現(xiàn)豐富和完善光合作用的知識網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建光合作用的概念體系。二是能力主線，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會設(shè)計和控制自變量與因變量、收集和處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，從而提升學(xué)生的實驗與探究能力。

最終，通過探究性實驗活動促進(jìn)光合作用等相關(guān)知識的內(nèi)化理解，實現(xiàn)光合作用過程模型的自主構(gòu)建；同時，通過探究性實驗活動的開展，使學(xué)生領(lǐng)悟探究性實驗研究中，有關(guān)變量的控制、實驗數(shù)據(jù)的處理等實驗研究的方法。

2 教學(xué)重、難點

1）教學(xué)重點：探究CO2濃度變化對光合作用強度的影響；

2）教學(xué)難點：控制實驗變量；構(gòu)建CO2濃度對光合作用強度影響的數(shù)學(xué)模型。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：闡述CO2濃度等外界因素對光合作用強度的影響；說明光反應(yīng)與暗反應(yīng)之間的關(guān)系；總結(jié)得出CO2濃度對光合作用強度影響的變化規(guī)律。

2）能力目標(biāo)：在“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”活動中，嘗試做出預(yù)期和假設(shè)；學(xué)會控制實驗變量；學(xué)會處理實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建光合作用過程的模型。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：在實驗過程中，體驗科學(xué)實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性。

4 教學(xué)準(zhǔn)備

材料及主要器材：黑藻、CO2發(fā)生器、簡易pH計、組裝注射器、不同功率LED燈、錐形瓶、橡皮塞、1 mL移液管、刻度尺、燒杯等。

5 教學(xué)過程

5.1 回顧已有知識，提出探究課題 教師提出問題引導(dǎo)學(xué)生回顧光合作用的過程：根據(jù)光合作用過程，指出影響光反應(yīng)和暗反應(yīng)的外界因素分別是什么？學(xué)生回答：光照強度和CO2濃度。教師追問：能否說明光照強度和CO2濃度對光合速率影響的變化規(guī)律？學(xué)生一時難以回答這些問題，教師由此提出探究課題：以CO2濃度為例，通過實驗探究外界因素對光合作用強度的影響。

5.2 應(yīng)用已學(xué)知識，預(yù)測實驗結(jié)果 教師提出：依據(jù)光合作用過程，預(yù)測CO2濃度對光合強度影響的規(guī)律性變化，并繪制曲線坐標(biāo)圖。學(xué)生結(jié)合自己對光合作用知識的理解，預(yù)測有3種情況（如圖1）：①隨CO2濃度增加，光合強度先增加后減??；②隨CO2濃度增加，光合強度先增加，到一定值后會趨于平穩(wěn)；③隨CO2濃度增加，光合強度一直增加。

圖1 預(yù)測CO2濃度對光合作用強度的影響

教師要求學(xué)生說明預(yù)測的理由，學(xué)生共同的觀點是：CO2是光合作用的原料，CO2濃度增大，光合作用的強度應(yīng)該增大。不同意見在于：觀點①認(rèn)為CO2過多會影響細(xì)胞呼吸，從而限制光合作用；觀點②認(rèn)為光合作用強度達(dá)到一定數(shù)值后，植物不需要更多的有機物，因此CO2濃度再增加，光合強度不再增大；觀點③認(rèn)為CO2作為光合作用的原料，其數(shù)量增加會不斷使光合作用加強。顯然，學(xué)生都無法做出正確的解釋，說明還沒有真正理解光合作用的實質(zhì)，由此也激發(fā)了學(xué)生探索知識的欲望。

5.3 創(chuàng)新實驗裝置，探索變量控制 學(xué)生根據(jù)已有的知識和實驗技能，大都能自主完成實驗程序的設(shè)計，主要差別在于：①自變量控制方法不同；②選擇的因變量不同。這樣就導(dǎo)致設(shè)計的實驗裝置不同，使學(xué)生對實驗的科學(xué)性、可操作性產(chǎn)生分歧。

5.3.1 控制自變量，創(chuàng)新實驗裝置 根據(jù)設(shè)置不同濃度梯度CO2的需要，學(xué)生提出控制自變量的方法有2種：①用嘴吹氣的方式，向水體中通入不同體積的CO2氣體；②在水生植物的環(huán)境中，加入等量不同濃度的NaHCO3，以釋放不同濃度的CO2。

針對方法①，反對者認(rèn)為：由于個體差異、速率、強度、時間都難以控制，設(shè)置的自變量不夠準(zhǔn)確。學(xué)生受到習(xí)題的影響，普遍認(rèn)為方法②可行，而教師提示：當(dāng)環(huán)境溶液濃度增大時，水生植物細(xì)胞會受到什么影響？學(xué)生由此得出結(jié)論：環(huán)境溶液濃度增大導(dǎo)致細(xì)胞失水，氣孔關(guān)閉，使光合作用強度下降，影響實驗結(jié)果。學(xué)生意識到方法②存在問題，但受到已有知識和能力的制約，對如何控制自變量感到迷茫。

此時，教師展示制氣裝置——CO2發(fā)生器，并利用簡圖（圖2）講解其原理：2瓶中分別裝有檸檬酸溶液和NaHCO3溶液。多次擠壓A瓶，使檸檬酸溶液流入B瓶與NaHCO3溶液接觸，反應(yīng)生成CO2氣體；當(dāng)B瓶CO2過多時，壓強增大可阻止A瓶溶液流入B瓶，減少氣體生成；當(dāng)B瓶CO2過少時，壓強減小則A瓶溶液順利流入B瓶，增加氣體生成。因此可產(chǎn)生連續(xù)、穩(wěn)定、純凈的CO2氣流。

圖2 CO2發(fā)生器及簡圖

定量控制自變量的方法：控制通氣時間可定性設(shè)置自變量；也可以結(jié)合pH計，利用化學(xué)電離平衡常數(shù)（Ka）準(zhǔn)確計算溶液中的CO2濃度。本實驗設(shè)置的CO2濃度梯度為：3.0μmol/L、6.0 μmol/L、9.0 μmol/L、12.0 μmol/L、15.0 μmol/L， 從而實現(xiàn)對自變量的定量控制。

學(xué)生學(xué)習(xí)CO2發(fā)生器的原理后，在教師指導(dǎo)下，嘗試完成裝置的裝配并練習(xí)使用（圖3），以便實現(xiàn)定量控制自變量的準(zhǔn)確性。

圖3 學(xué)生練習(xí)使用實驗裝置

5.3.2 選擇因變量，構(gòu)建知識體系 學(xué)生選擇的因變量為CO2消耗量或有機物生成量，但在設(shè)計實驗裝置時發(fā)現(xiàn)，因變量的檢測很難完成。此時，教師提示學(xué)生：可否以O(shè)2生成量作為因變量？并組織學(xué)生展開討論，在討論過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生運用光合作用過程的知識，重點思考光反應(yīng)與暗反應(yīng)的關(guān)系。學(xué)生通過分析、討論得出：CO2濃度增大使暗反應(yīng)加快，導(dǎo)致ATP和［H］消耗增多，因此促進(jìn)光反應(yīng)加速，使O2釋放速率加快。同時，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念模型（圖4）。這樣，學(xué)生在確定以O(shè)2釋放量作為實驗因變量的同時，也促進(jìn)了對光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)聯(lián)系的理解。

圖4 學(xué)生構(gòu)建光合作用過程概念模型

5.3.3 安裝實驗裝置，完成實驗操作 教師講解實驗裝置（如圖 5）：250 mL錐形瓶中裝滿 CO2溶液和5 g黑藻,橡皮塞上安裝帶刻度的1 mL移液管，采用水集氣法［1］，在 LED燈下（光照強度為1.0×103lx）光照 15 min，測定 O2釋放量。 改裝注射器便于調(diào)節(jié)液柱高度。該裝置可定量測定O2釋放量：移液管上升高度通過測量，可定量轉(zhuǎn)化為O2體積。

圖5 光合作用實驗裝置

教師強調(diào)實驗注意事項后，學(xué)生按照以下步驟完成實驗操作：1）安裝實驗裝置（圖 6）；2）完成實驗操作；3）觀察實驗現(xiàn)象（圖 7）；4）測定、記錄、處理數(shù)據(jù)（圖8）。

圖6 學(xué)生安裝實驗裝置

圖7 學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象

圖8 學(xué)生測定、記錄、處理數(shù)據(jù)

5.4 處理實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

5.4.1 處理數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律 學(xué)生將實驗數(shù)據(jù)記錄在坐標(biāo)圖中，并繪制成曲線圖。教師要求每個小組將本組實驗數(shù)據(jù)標(biāo)注在黑板坐標(biāo)圖上（圖9），引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,比較各小組實驗結(jié)果的異同。

圖9 各小組展示實驗結(jié)果數(shù)據(jù)

學(xué)生的結(jié)論是：有8個小組繪制的曲線趨勢大致相同，能夠證明CO2濃度對光合作用強度影響的規(guī)律；另外2個小組結(jié)果不同，可能是操作出現(xiàn)錯誤等。

教師順勢教學(xué)生學(xué)習(xí)處理有明顯偏離的數(shù)據(jù)的方法——舍棄后求平均值：舍棄偏差過大的2個小組數(shù)據(jù)，將8個小組的數(shù)據(jù)匯總求平均值。進(jìn)而得出：本次實驗測得的O2釋放速率約為0～6×10-7mol/（g，min）。 以此得出規(guī)律：在3.0～12.0 μmol/L 的范圍內(nèi)，隨 CO2濃度增加，光合速率增強；當(dāng) CO2濃度超過12.0 μmol/L，即在12.0～15.0 μmol/L 時，光合速率不再增強。

5.4.2 構(gòu)建模型，內(nèi)化概念 教師要求學(xué)生根據(jù)處理后的實驗數(shù)據(jù)，繪制平滑曲線，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型（圖10）；并要求學(xué)生闡述CO2濃度影響光合作用強度的規(guī)律及其原因：ab段，光照充足，光反應(yīng)產(chǎn)生足量的ATP和［H］，為暗反應(yīng)提供能量和還原劑；當(dāng)CO2濃度增加，光合速率隨之增強。bc段，隨CO2濃度的持續(xù)增加，光反應(yīng)提供的ATP和［H］不能滿足暗反應(yīng)的需求，限制了暗反應(yīng)的進(jìn)行，光合速率不再增大而保持相對穩(wěn)定。

圖10 CO2濃度對光合作用強度影響的數(shù)學(xué)模型

5.5 補充探究實驗，完善知識體系 教師提出問題：如何驗證大家對bc段的分析？學(xué)生得出：在b點以后增大光照強度,測定光合速率，并設(shè)計實驗方案：設(shè)置 CO2濃度分別為 12.0 μmol/L、15.0 μmol/L的2個實驗組，給予比前面實驗組增大的光照強度，即在使用LED燈（光照強度為 1.8×103lx），其余條件都相同的條件下，測定O2的釋放量（裝置如圖 11）。

圖11 增大光照強度探究實驗裝置

學(xué)生通過實驗，用測定的結(jié)果繪制坐標(biāo)圖（圖12）。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)光合作用的過程、光反應(yīng)與暗反應(yīng)之間的關(guān)系等知識，構(gòu)建概念圖（圖13）。

圖12 增大光照強度后的實驗結(jié)果

圖13 進(jìn)一步完善光合作用過程模型

在教師引導(dǎo)下，學(xué)生加深了對光合作用過程的理解，領(lǐng)悟了光反應(yīng)與暗反應(yīng)的關(guān)系，真正內(nèi)化了光合作用的相關(guān)概念，完善了知識體系。

6 教學(xué)反思

1）改進(jìn)實驗方法，提升探究能力。本節(jié)課最大的亮點是改進(jìn)了實驗方法，使學(xué)生能夠從定量分析的角度開展實驗探究。要求學(xué)生必須掌握控制變量的方法，學(xué)會處理實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，以揭示實驗的本質(zhì)。這樣，學(xué)生在探究過程中，盡管實驗操作的難度增大，但可以不斷地學(xué)習(xí)和應(yīng)用實驗探究的基本原則與方法，其實驗與探究能力逐步得到發(fā)展和提升，且有利于學(xué)生對知識的理解和概念的構(gòu)建。

2）探索實驗本質(zhì)，促進(jìn)概念構(gòu)建。本節(jié)課以探究實驗活動為載體，聚焦知識板塊中的核心概念，引導(dǎo)學(xué)生以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過分析、歸納、模型構(gòu)建等思維活動，對事物進(jìn)行抽象和概括，最終實現(xiàn)讓學(xué)生通過探究性學(xué)習(xí)形成重要概念。教師將探究實驗活動與概念學(xué)習(xí)有機結(jié)合，以光合作用過程為中心統(tǒng)領(lǐng)基礎(chǔ)知識，引導(dǎo)學(xué)生形成具有內(nèi)在邏輯關(guān)系的知識結(jié)構(gòu)。

這樣，使學(xué)生的實驗探究與概念構(gòu)建緊密相連，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用概念指導(dǎo)實驗，通過實驗強化對概念的理解，實現(xiàn)光合作用知識體系的構(gòu)建。

主要參考文獻(xiàn)

［1］吳豐.新型光合作用探究儀的開發(fā)與應(yīng)用.生物學(xué)通報,2014,49（8）：51.