王思玲

2011版《生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于“綠色植物有助于維持生物圈中的碳—氧平衡”部分內(nèi)容的目標(biāo)要求是“說明綠色植物有助于維持生物圈中的碳—氧平衡”。但許多版本教材中安排的實驗只能證明植物光下產(chǎn)生氧氣消耗二氧化碳，而不能說明白天和夜晚一個周期的時間內(nèi)，植物向大氣中釋放的氧氣多于自己呼吸作用消耗的，從而有助于維持生物圈中的碳—氧平衡。因此，筆者對原來的實驗加以改進(jìn)，以幫助達(dá)成此教學(xué)目標(biāo)。

一、實驗內(nèi)容

1.實驗原理

該實驗需要能夠證明一種量的關(guān)系，即植物自身產(chǎn)生的氧氣多于消耗的氧氣，消耗的二氧化碳多于產(chǎn)生的二氧化碳。這樣就要測量氧氣和二氧化碳量的變化，方法如下：

受教材實驗的啟發(fā)，筆者選用水生植物金魚藻作為實驗植物，利用氧氣不易溶于水的性質(zhì)，用排水法收集氧氣，排出的水的體積就是氧氣的體積。二氧化碳能溶于水，通過測水的PH，確定水中二氧化碳含量的變化，依據(jù)的原理是：H2O+CO2=H2CO3。二氧化碳越多，PH越??；二氧化碳越少，PH越大。

2.實驗裝置

為排除外界空氣對實驗的影響，以及定量測量氣體的變化的要求，筆者設(shè)計了下面的裝置（圖1）；為排除溫度變化等其他因素對氧氣體積和水的PH的影響，又設(shè)置了對照實驗（圖2）。

3.實驗過程

將實驗組和對照組的礦泉水瓶中裝滿水，不留空氣，保證裝置有良好的氣密性。實驗前測實驗用水的PH，將裝置放在陽光下，24小時后，測氧氣體積和水的PH，記錄結(jié)果。

特別要強(qiáng)調(diào)實驗開始時間最好在上午，因為實驗用水的PH一般為中性，或略偏堿性，而金魚藻，適合在偏堿性的水中生存。白天植物光合作用消耗二氧化碳，水的PH會升高，夜晚呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳，水的PH會下降。這樣保證了水的PH先升后降，但始終大于7。如果在傍晚以后開始，水的PH會先降后升，這樣就會出現(xiàn)PH小于7的階段，不利于金魚藻的生存。

4.實驗結(jié)果

24小時后實驗組（含植物）注射器活塞的位置升高，水的PH增大；對照組幾乎沒有變化。

5.實驗結(jié)論

金魚藻一天當(dāng)中放出的氧氣多于消耗的氧氣，消耗的二氧化碳多于產(chǎn)生的二氧化碳。

二、實驗方法

1.材料選擇

遵循來源廣和科學(xué)性的原則。金魚藻是當(dāng)?shù)厮虺Ｒ娝参?，且適應(yīng)性較強(qiáng)，在PH為7.1～9.2的水中均可正常生長。測水中二氧化碳的變化選用PH計，因為PH計能測出溶液中二氧化碳含量的細(xì)微變化。注射器的使用使實驗更加便攜，便于測量氧氣體積，測量數(shù)值比較準(zhǔn)確，并且可將裝置平放，從而增大氧氣和水的接觸面積。礦泉水瓶的使用則安全方便。

2.規(guī)格用量

礦泉水瓶容積可選用500毫升，金魚藻用量以裝滿礦泉水瓶且能充分見光為宜，注射器的容積選10～20毫升。

3.創(chuàng)新點

（1）準(zhǔn)定量實驗。本實驗裝置密閉，使得原有氧氣和二氧化碳以及植物的量一定，保證了裝置中氣體量的變化只與植物自身的光合作用和呼吸作用有關(guān)。

（2）拓展了學(xué)生的思路。實驗過程中從材料選擇到實驗過程設(shè)計，都引領(lǐng)學(xué)生體驗了科學(xué)探究的過程和方法，開闊了學(xué)生的眼界，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。

三、教學(xué)實施

1.第一課時：問題導(dǎo)入，提出質(zhì)疑

在學(xué)習(xí)完光合作用和呼吸作用的相關(guān)內(nèi)容之后，拋出問題：生物圈中的生物呼吸和物質(zhì)燃燒都消耗氧氣，呼出二氧化碳，為什么我們沒有感覺到缺氧呢？引發(fā)學(xué)生思考并說出依據(jù)。學(xué)生提出的依據(jù)多是植物能進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣，消耗二氧化碳的兩個實驗。教師追問：上述依據(jù)能否證明你的推測？經(jīng)過深度思考和討論，最終達(dá)成共識，光合作用的相關(guān)實驗不能證明植物自身產(chǎn)生的氧氣多于消耗的氧氣，消耗的二氧化碳多于自身產(chǎn)生的二氧化碳這種量的關(guān)系，因而也就不能準(zhǔn)確地解釋上述問題。

那么，上述量的關(guān)系是否真的成立呢？我們可以通過準(zhǔn)定量實驗來探究。此時將實驗方法和步驟教給學(xué)生，以小組為單位進(jìn)行實驗，并測量記錄實驗數(shù)據(jù)。在實驗過程中的疑惑或問題可請教老師或上網(wǎng)查閱資料解決。

本課時通過找證據(jù)到質(zhì)疑證據(jù)，再到尋找新的證據(jù)的自主-合作-交流的過程，引發(fā)學(xué)生深入思考，培養(yǎng)學(xué)生的實證意識和積極的科學(xué)態(tài)度，使學(xué)生產(chǎn)生探求真相的欲望。

2.第二課時第一部分：演示交流，得出結(jié)論

各小組演示裝置并測量最終數(shù)據(jù)，通過分析收集的數(shù)據(jù)，對比前后的變化，得出結(jié)論。即植物一天（24小時）當(dāng)中，光合作用產(chǎn)生的氧氣多于自身呼吸作用消耗的氧氣，光合作用消耗的二氧化碳多于自身呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳。通過眼見為實，加深學(xué)生對概念的理解，認(rèn)同植物在碳—氧平衡中的重要作用。同時培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、觀察能力和分析能力。

3.第二課時第二部分：拓展應(yīng)用，能力提升

首先讓學(xué)生用實驗結(jié)論解讀碳—氧平衡示意圖的含義，接下來嘗試用表達(dá)式的方式表示出二氧化碳和氧氣之間的關(guān)系，最終歸納碳—氧平衡的概念。這樣既評價了學(xué)生對實驗結(jié)論的理解，又培養(yǎng)了學(xué)生的理性思維能力。同時，進(jìn)一步讓學(xué)生認(rèn)同綠色植物對生物圈的存在和發(fā)展起著決定性的作用，樹立保護(hù)環(huán)境的意識。

四、教學(xué)效果

1.目標(biāo)達(dá)成度較高

通過課堂過程性評價和終結(jié)性的評測練習(xí)評價，證明了創(chuàng)新實驗設(shè)計的必要性。在教學(xué)過程中，通過問題導(dǎo)入發(fā)現(xiàn)學(xué)生對“綠色植物與生物圈的碳-氧平衡之間的關(guān)系”的理解確實存在障礙。而創(chuàng)新實驗的設(shè)計直指問題之所在，突破了教學(xué)難點，是很有價值的。通過創(chuàng)新實驗，學(xué)生對概念的認(rèn)知由“知道是什么”，達(dá)到了“能解釋為什么”的層次。理解了植物在碳-氧平衡中的作用，認(rèn)同植物在生物圈中的不可替代性。效果明顯優(yōu)于以教材實驗為基礎(chǔ)的教學(xué)。

2.培養(yǎng)了學(xué)生積極的科學(xué)態(tài)度

在實驗過程中，剛開始學(xué)生對實驗原理理解并不透徹，但通過實驗，學(xué)生在實踐中會遇到很多問題，在思考和解決問題的過程中對相關(guān)實驗原理逐漸理清，提高了學(xué)生的理性思維能力。同時，許多科學(xué)實驗都需要漫長的時間和不斷重復(fù)，其過程實際上是很枯燥的。本實驗周期也較長，通過這個實驗，鍛煉了學(xué)生的耐心和責(zé)任心。實驗過程的設(shè)計考慮比較周全，由開放到密閉、由定性到定量，保證了實驗的縝密性，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧?xí)慣。

【責(zé)任編輯 郭振玲】