從驗(yàn)證走向探究

王駿

摘要：探究性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力的重要載體。教學(xué)“驗(yàn)證綠葉在光下吸收二氧化碳”實(shí)驗(yàn)時，基于學(xué)情，引導(dǎo)學(xué)生將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“升格”為探究性實(shí)驗(yàn)。具體包括以下3個探究步驟：初步討論探究性實(shí)驗(yàn)方案，探究綠色植物在光下是否吸收二氧化碳，探究不同濃度二氧化碳對植物光合作用的影響。

關(guān)鍵詞：生物實(shí)驗(yàn)教學(xué);探究性實(shí)驗(yàn);“驗(yàn)證綠葉在光下吸收二氧化碳”

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的探究性自然科學(xué)，科學(xué)探究貫穿生物學(xué)學(xué)習(xí)的全過程?？茖W(xué)探究能力是學(xué)生應(yīng)該形成和發(fā)展的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，而實(shí)驗(yàn)，尤其是探究性實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力的重要載體。因此，我們可基于學(xué)情，將教材中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“升格”為探究性實(shí)驗(yàn)，以拓展培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的路徑。教學(xué)蘇科版初中生物學(xué)八年級上冊《綠色植物與生物圈中的碳氧平衡》一節(jié)中的“驗(yàn)證綠葉在光下吸收二氧化碳”實(shí)驗(yàn)時，筆者就做了這樣的探索。

“升格”后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)為：（1）探究綠色植物光合作用實(shí)驗(yàn)結(jié)果的生物學(xué)事實(shí)，并對證據(jù)進(jìn)行歸納、概括與建模;（2）制訂并實(shí)施綠色植物光合作用相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，探究綠色植物對于維持生物圈中碳氧平衡的重要意義;（3）嘗試運(yùn)用光合作用的相關(guān)知識解決生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問題，探究綠色植物的光合作用實(shí)驗(yàn)的遷移價值。具體包括以下3個探究步驟：

一、初步討論探究性實(shí)驗(yàn)方案

教材中，“驗(yàn)證綠葉在光下吸收二氧化碳”的實(shí)驗(yàn)方案如下：

1.取甲、乙、丙3只相同的大廣口瓶（或無色透明塑料袋），在甲、乙瓶內(nèi)各放入1盆枝葉茂盛的植株，丙瓶內(nèi)不放植株。用橡皮塞塞緊瓶口，并用凡士林封口。再通過導(dǎo)管分別向各瓶內(nèi)深呼氣十余次，使瓶內(nèi)含有大量二氧化碳。

2.把甲瓶放到黑暗處，把乙、丙瓶放到陽光下。2h后，揭開瓶塞，分別向甲、乙、丙3只瓶內(nèi)滴入等量的0.1%溴麝香草酚藍(lán)溶液。仔細(xì)觀察各瓶內(nèi)的溴麝香草酚藍(lán)溶液顏色有什么變化。

提示：溴麝香草酚藍(lán)簡稱BTB，是一種酸堿指示劑，在堿性溶液中呈藍(lán)色，在酸性溶液中呈黃色。水呈中性，BTB滴入基本還是呈淡藍(lán)色。當(dāng)水中溶有二氧化碳后，會形成碳酸，而碳酸是弱酸，會使BTB溶液由淡藍(lán)變綠再變成黃色。

教師組織學(xué)生小組討論發(fā)現(xiàn)，將原來的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“升格”為探究性實(shí)驗(yàn)，可以從原來實(shí)驗(yàn)的幾個弊端入手：

（1）適宜放置盆栽植物的廣口瓶要求體積大、帶軟木塞、能插入玻璃導(dǎo)管、氣密性好，不太容易找到;若選用較大無色透明塑料袋，滴加BTB溶液操作不便、耗時長、空間大小不易控制。

（2）在未明確植株類型的情況下，不同植物的光合作用速率不同。

（3）實(shí)驗(yàn)時間不可控，現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能呈現(xiàn)最終時刻二氧化碳的有無，無法實(shí)時監(jiān)測。

教師指導(dǎo)學(xué)生小組進(jìn)一步討論，最終形成相應(yīng)的探究方案。針對第（1）點(diǎn)，選用透明礦泉水瓶，優(yōu)點(diǎn)在于材料易得，體積小，所需植物植株少，易搬運(yùn)，使用便捷。針對第（2）點(diǎn)，選用金魚藻、銅錢草、黑藻、綠金錢對葉等小型水生植物，不僅與液體環(huán)境相適應(yīng)，而且可方便地置于器皿中，操作簡單;若植物葉片較大，可借鑒“葉圓片上浮法”，用塑料吸管或筆帽截取葉圓片，并且葉圓片面積越小，實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)明顯現(xiàn)象所用的時間也就越短，適用范圍較廣;清水能維持水生植物的正常生長，加入BTB溶液后顏色變化明顯。針對第（3）點(diǎn)，考慮先滴加BTB溶液，可動態(tài)觀察顏色變化，時間可控，現(xiàn)象明顯。

經(jīng)過七年級的學(xué)習(xí)，學(xué)生已具備一定的生物學(xué)知識，如植物的光合作用、氧氣和二氧化碳的鑒定方法等。另外，初中生具有較強(qiáng)的好奇心、初步的科學(xué)探究技能。這是將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)情基礎(chǔ)。通過小組合作，學(xué)生選擇了簡單方便的實(shí)驗(yàn)材料，降低了實(shí)驗(yàn)成本。改進(jìn)之后的實(shí)驗(yàn)裝置簡單，氣密性好，組裝簡潔，易操作，可以反復(fù)使用，實(shí)驗(yàn)效果顯著。這有利于激發(fā)學(xué)生的探究熱情，促使其更積極地開展科學(xué)探究。

二、探究綠色植物在光下是否吸收二氧化碳

教師演示實(shí)驗(yàn)（也可提前錄制視頻）：在透明礦泉水瓶中加入適量滴有BTB溶液的雪碧，放入銅錢草，密封，置于光下（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用400W燈泡），溶液變成淡藍(lán)色。

學(xué)生觀察現(xiàn)象，提出假設(shè)：二氧化碳被綠色植物吸收或“蒸發(fā)”了。

教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，預(yù)測結(jié)果：設(shè)置對照組2號，不放銅錢草，其他條件相同且適宜，如果1號變成藍(lán)色、2號不變，則二氧化碳被綠色植物吸收了;如果1號、2號都變?yōu)樗{(lán)色，則二氧化碳“蒸發(fā)”了。

學(xué)生交流討論：綠色植物吸收二氧化碳一定需要光照嗎？要控制變量有光和無光，可設(shè)置對照組3號。哪種因素可能會對BTB溶液顏色的變化產(chǎn)生干擾？要排除光對BTB溶液的影響，可設(shè)置對照組4號。

根據(jù)討論得到的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生開展探究實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果，得出結(jié)論（見表1）。

另外，教師可提出問題：為什么使用葉圓片做實(shí)驗(yàn)，最后BTB溶液顏色呈綠色？引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)從葉片的數(shù)量、植物的種類、光照強(qiáng)度等方面考慮實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化。

通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，加入BTB溶液動態(tài)觀察顏色變化，時間具有可控性且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。學(xué)生在分析問題、解決問題的過程中有效提升了科學(xué)探究能力。

三、探究不同濃度二氧化碳對植物光合作用的影響

教師提出問題：如果要研究二氧化碳對光合作用的影響，應(yīng)該如何控制變量？ 測定光合作用強(qiáng)度的指標(biāo)是什么？

學(xué)生討論后形成思路：可通過不同比例的雪碧稀釋液來控制二氧化碳的量，可以用氧氣產(chǎn)生速率測定光合作用強(qiáng)度。就檢測氧氣釋放速率而言，主要有直接檢測和間接檢測兩種方法。直接檢測法是使用氣體檢測儀或傳感器顯示氧氣濃度變化;間接檢測法是將氧氣的釋放量轉(zhuǎn)化為其他便于直接觀測的量，如葉圓片上浮法。

教師引導(dǎo)學(xué)生定性與定量結(jié)合，開展探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)假設(shè)是葉圓片經(jīng)過一段時間的光合作用后產(chǎn)生的氧氣，可附著在葉肉細(xì)胞的間隙或葉片的表面，使葉片的密度降低，進(jìn)而上浮。通過觀察同一時間內(nèi)葉圓片浮起的數(shù)量，初步判斷光合作用的強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)方案如下：

（1）用塑料吸管（或筆帽）制作葉圓片，放入盛有水的器皿中，同時注意遮光，以避免葉圓片因干枯萎蔫或提前進(jìn)行光合作用而影響實(shí)驗(yàn)效果。

（2）將葉圓片置于注射器內(nèi)，并用注射器吸入清水;待排出注射器內(nèi)殘留的空氣后，用橡皮堵住注射器前端的小孔，并緩慢拉動活塞，使葉圓片內(nèi)氣體逸出，細(xì)胞間隙充滿水而全部沉到水底。

（3）將雪碧與水以2∶8、4∶6、6∶4、8∶2的體積比配制成50 mL的混合溶液置于透明表1實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果記錄

條件實(shí)驗(yàn)對照組1號2號3號4號BTB溶液/mL50505050加入二氧化碳呼氣呼氣呼氣/BTB顏色黃色黃色黃色藍(lán)色加入植物或葉圓片30片/30片/光照光照光照遮光光照BTB顏色藍(lán)色或綠色黃色黃色藍(lán)色結(jié)果分析二氧化碳被綠色植物吸收了無綠色植物，二氧化碳含量不變無光照，植物不吸收二氧化碳排除光對BTB溶液的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論綠色植物在光下吸收二氧化碳

礦泉水瓶中，另設(shè)置只有水的對照組。五個礦泉水瓶分別加入10片葉圓片，沿著實(shí)驗(yàn)臺日光燈所在的直線并列放置，發(fā)現(xiàn)雪碧濃度較大的溶液中的葉圓片不下沉，猜測原因是葉圓片密度小于雪碧溶液或其中的二氧化碳對葉圓片的上浮起助力作用。

（4）經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)，重新設(shè)置梯度為清水（雪碧體積分?jǐn)?shù)視為0%）、體積分?jǐn)?shù)為10%的雪碧稀釋液、體積分?jǐn)?shù)為20%的雪碧稀釋液。室溫下觀察并記錄5、10、15、20 分鐘后時葉圓片浮起的數(shù)量，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)測定3次，記錄數(shù)據(jù)，取整數(shù)平均值。

（5）利用計(jì)算機(jī)軟件快速處理數(shù)據(jù)，自動生成全班統(tǒng)計(jì)結(jié)果的數(shù)據(jù)曲線圖（如圖1）。

師生一起分析結(jié)果，得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，光合作用隨二氧化碳濃度的增加而增強(qiáng)。教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系七年級上冊“植物的光合作用”相關(guān)知識建構(gòu)思維導(dǎo)圖（如圖2），梳理科學(xué)探究的一般步驟，總結(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，即單一變量原則、對照原則、平行重復(fù)原則及“葉圓片上浮法”等。

最后，教師提出話題，讓學(xué)生利用本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)裝置和探究思路進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)：探究綠色植物在光下產(chǎn)生氧氣;光的顏色對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響嗎？利用彩色玻璃紙?zhí)骄坎煌赓|(zhì)對光合作用的影響;臥室放入較多的植物是否科學(xué)？探究植物呼吸作用過程中氣體的變化;夏季教室開空調(diào)后長時間密閉是否科學(xué)？利用氣體檢測儀探究人的呼吸作用。

通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，借力信息技術(shù)準(zhǔn)確讀取氧氣數(shù)值，培養(yǎng)學(xué)生的定量觀。利用計(jì)算機(jī)軟件快速生成曲線圖，發(fā)展學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力及歸納概括、模型建構(gòu)等科學(xué)思維。課上整合關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)，課后進(jìn)行拓展探究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一器多用，遷移學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力、系統(tǒng)整合能力。

生物學(xué)課程中的科學(xué)探究是學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)研究方法、積極主動獲取生物學(xué)知識而進(jìn)行的各種活動。教師引領(lǐng)學(xué)生化驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，并不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)歷進(jìn)階式探究過程，可提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。