核心素養(yǎng)視角下的高中生物探究性實驗教學(xué)設(shè)計
——以“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”為例

劉閃閃

（寧波市鄞州中學(xué) 浙江寧波 315100）

實驗是高中生物學(xué)的基礎(chǔ)，能培養(yǎng)學(xué)生組裝實驗裝置、提出科學(xué)問題、設(shè)計實驗、科學(xué)探究的能力，不僅是教學(xué)目標(biāo)的要求，更是激發(fā)學(xué)生建立生命觀念、培養(yǎng)科學(xué)思維、進(jìn)行科學(xué)探究和承擔(dān)社會責(zé)任的重要途徑，是提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的需求。

1 教材分析及設(shè)計思路

“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”是浙科版高中生物《必修1·分子與細(xì)胞》第三章第五節(jié)的內(nèi)容，在《浙江省普通高中學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)意見》中屬于“基本要求”水平的知識。因此，在教學(xué)時，教師要注重運用提出問題、做出假設(shè)、控制變量等科學(xué)探究方法，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計單因子對照實驗方案。筆者首先以寧波市旅游景區(qū)天宮莊園為切入點，吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生分析影響光合作用的環(huán)境因素；然后，提供實驗材料和設(shè)備，以小組為單位展開討論，設(shè)計探究性實驗方案，由小組代表組裝實驗裝置，講解實驗方案，指出優(yōu)點和不足；最后，進(jìn)行課堂小結(jié)，并鼓勵學(xué)生進(jìn)行深度探究。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）分析影響光合作用的環(huán)境因素，建立生命觀念；

（2）明確自變量、因變量、控制無關(guān)變量，探究環(huán)境因素對光合作用的影響，進(jìn)行科學(xué)探究；

（3）體驗科學(xué)探究的基本過程，提出科學(xué)問題，確立合理的實驗方法，培養(yǎng)科學(xué)思維；

（4）確立關(guān)愛自然、熱愛生命、愛護(hù)身邊的花草樹木的責(zé)任意識，承擔(dān)社會責(zé)任。

3 學(xué)情分析

本次探究活動是在學(xué)習(xí)了光合作用的光反應(yīng)和碳反應(yīng)具體過程之后進(jìn)行的，學(xué)生對光合作用的原理、物質(zhì)變化和能量變化已有一定的理解和掌握。活動中用到的黑藻、廣口瓶、臺燈等也是學(xué)生熟悉的。初中時學(xué)生曾接觸過用天竺葵為實驗材料檢測光合作用的產(chǎn)物的實驗，已具備一定的實驗操作技能和實驗探究能力，但控制變量、設(shè)計單因子對照實驗進(jìn)行科學(xué)探究的思維尚不成熟。

4 教學(xué)過程

4.1 天宮莊園游園情境，激發(fā)學(xué)生探究興趣

教師展示寧波市天宮莊園圖片，并提出問題:在開始探究活動之前，讓我們一起放飛思緒來到美麗的天宮莊園。有沒有同學(xué)已經(jīng)去過這里?這里有400多種植物，共7個分區(qū)。不同分區(qū)的植物生長條件有很大差異。如何進(jìn)行環(huán)境條件的調(diào)控才能讓400多種植物共同生長在天宮莊園里呢？關(guān)鍵就在于智能化莊園的中控系統(tǒng)。如果把這個調(diào)控權(quán)限交給你，你能否利用所學(xué)的光合作用的原理進(jìn)行環(huán)境條件的調(diào)控呢？

4.2 分析影響光合作用的環(huán)境因素

教師提出問題:根據(jù)前面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過的光合作用的光反應(yīng)和碳反應(yīng)的過程，大家分析一下，影響光合作用的環(huán)境因素可能有哪些？

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下討論、分析，明確了影響光合作用的環(huán)境因素有光照、溫度、二氧化碳、水分、礦質(zhì)元素等。

4.3 探究環(huán)境因素對光合作用的影響

教師提供實驗材料:黑藻，臺燈，碳酸氫鈉（在一定時間內(nèi)可較穩(wěn)定地提供二氧化碳），水，帶彎管的廣口玻璃瓶，紅墨水，鑰匙，玻璃棒。學(xué)生以小組為單位設(shè)計實驗，探究某一環(huán)境因素對光合作用的影響，并在學(xué)案上繪出裝置簡圖。教師請代表小組到講臺上組裝實驗裝置。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考:

（1）組裝該實驗裝置的目的是什么？

（2）遇到了哪些問題，如何解決的？

（3）實驗的自變量是什么？如何改變自變量？

（4）實驗的因變量是什么？如何檢測因變量？

（5）實驗的無關(guān)變量是什么?如何控制無關(guān)變量？

學(xué)生討論后明確實驗?zāi)康?探究光照強(qiáng)度對光合作用的影響。學(xué)生將紅墨水裝入彎管中有困難。教師提示:將彎管倒立，把紅墨水加入較短一端玻璃管，用手指堵住另一端插入廣口瓶后再松手。自變量是光照強(qiáng)度，通過旋轉(zhuǎn)按鈕調(diào)控光照強(qiáng)度的檔位來調(diào)控光照強(qiáng)度，還可以對不同組用不同數(shù)目的臺燈數(shù)或改變臺燈到裝置的距離來控制光照強(qiáng)度。因變量是光合作用的強(qiáng)度。檢測指標(biāo)是單位時間內(nèi)氧氣的釋放量，通過檢測紅色液滴的移動來體現(xiàn)。無關(guān)變量有溫度、CO2濃度、水分等，應(yīng)保證無關(guān)變量相同且適宜。

教師:單位時間內(nèi)氧氣的釋放量與生成量有何區(qū)別？還可以檢測其他的指標(biāo)嗎?

學(xué)生:氧氣的生成量有一部分用于細(xì)胞呼吸作用，單位時間內(nèi)氧氣的釋放量表示凈光合速率。本實驗還可以檢測單位時間內(nèi)淀粉的積累量。

教師:如果要檢測單位時間內(nèi)淀粉的積累量，必須要排除植株本身淀粉的干擾，如何排除植物本身淀粉的干擾呢？

學(xué)生:黑暗條件下進(jìn)行饑餓處理。

教師:因此如果要檢測淀粉的積累量，操作會比較麻煩，本實驗中我們檢測單位時間內(nèi)氧氣的釋放量。

教師提供更多的實驗材料:黑藻，100W聚光燈，碳酸氫鈉（為光合作用提供二氧化碳），水，冰塊，精密pH試紙（可以測定在密閉系統(tǒng)中植物經(jīng)光合作用后溶液pH的改變，推算出CO2濃度的變化），溫度計，不同顏色的玻璃紙，帶彎管的廣口玻璃瓶，紅墨水，大燒杯。并提出問題:還可以探究哪些環(huán)境因素對光合作用的影響？實驗中自變量是什么？如何控制自變量？因變量是什么？如何檢測因變量？如何控制無關(guān)變量？

學(xué)生小組討論，設(shè)定了溫度、CO2濃度、光質(zhì)對光合作用影響的單因子對照實驗。教師展示學(xué)生設(shè)計成果，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗的自變量、因變量、檢測指標(biāo)、無關(guān)變量，總結(jié)實驗中的問題及改進(jìn)方法。

4.4 課堂小結(jié)

教師總結(jié):影響光合作用的因素還有很多，如pH、色素含量、聲波等，除了環(huán)境因素還有遺傳因素、不同的植株、同一株不同的部位、同一部位不同的生長階段其光合作用都不同。如何探究pH、色素含量、聲波等對光合作用的影響？為什么植物只能吸收可見光？能否從基因的水平上進(jìn)行調(diào)控？全球變暖為什么會使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力下降？同學(xué)們課后進(jìn)一步思考與探究。光合作用的結(jié)果不僅給人們帶來了很多美食，也給人們帶來了非常多的視覺盛宴，我們應(yīng)主動承擔(dān)關(guān)愛自然、熱愛生命、愛護(hù)身邊的花草樹木的社會責(zé)任。

4.5 鞏固練習(xí)

以2017年11月浙江生物選考30題為例，鞏固練習(xí)。

5 核心素養(yǎng)視角下探究性實驗教學(xué)的幾點思考

5.1 創(chuàng)設(shè)貼近生活的教學(xué)情境

本教學(xué)設(shè)計中，教師由天宮莊園游園情境引入，首先展示天宮莊園內(nèi)代表性的植物并介紹它們具有明顯差異的生活條件，然后揭示不同溫度帶的植物共同生長在天宮莊園的奧秘，引導(dǎo)學(xué)生分析影響光合作用的環(huán)境因素，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行探究活動的積極性。

5.2 科學(xué)態(tài)度的滲透

本教學(xué)設(shè)計通過對實驗設(shè)計中相關(guān)細(xì)節(jié)問題的討論分析，讓學(xué)生明白實驗設(shè)計中應(yīng)把握實驗的整體性并注意實驗中的細(xì)節(jié)性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、求真求實的科學(xué)態(tài)度。

5.3 科學(xué)探究能力的培養(yǎng)

本教學(xué)設(shè)計中在分析了影響光合作用的環(huán)境因素的基礎(chǔ)上，教師向?qū)W生提供實驗材料，讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論，在明確實驗?zāi)康摹⒆宰兞?、因變量、無關(guān)變量及檢測指標(biāo)的基礎(chǔ)上，組裝實驗裝置，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。