梅捷凱

摘 要 本實(shí)驗(yàn)是基于教材“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”實(shí)驗(yàn)的拓展，將原實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測(cè)方法由定性測(cè)定改為利用傳感器技術(shù)定量測(cè)定。學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法建模，簡(jiǎn)明、準(zhǔn)確地描述事物之間的聯(lián)系，形成科學(xué)思維的習(xí)慣。本實(shí)驗(yàn)采用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)“以學(xué)為中心”，通過對(duì)植物細(xì)胞代謝這一特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及結(jié)果的交流與討論，使學(xué)生親歷科學(xué)探究過程，理解科學(xué)知識(shí)，學(xué)會(huì)科學(xué)方法，領(lǐng)悟科學(xué)思想，體驗(yàn)成功快樂，并樂于、善于團(tuán)隊(duì)合作，形成生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 光合速率 傳感器 翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 教學(xué)指導(dǎo)思想

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，知識(shí)的學(xué)習(xí)不是由教師向?qū)W生單向傳遞的過程，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境下，通過教師和學(xué)習(xí)伙伴的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)材料，自主地進(jìn)行探究活動(dòng)，完成知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的意義建構(gòu)，而這種建構(gòu)是無法由他人所代替的。因此，在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師要強(qiáng)調(diào)“以學(xué)為中心”，通過積極創(chuàng)設(shè)有效學(xué)習(xí)的環(huán)境和氛圍，幫助學(xué)生親歷科學(xué)探究過程，理解科學(xué)知識(shí)，學(xué)會(huì)科學(xué)方法，領(lǐng)悟科學(xué)思想，體驗(yàn)成功快樂，并樂于、善于團(tuán)隊(duì)合作。

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》的“實(shí)施建議”中提出：“在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。教師應(yīng)向?qū)W生提供機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)量的測(cè)定，實(shí)事求是地記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)資料、定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果等?！北緦?shí)驗(yàn)課是基于《必修1·分子與細(xì)胞》第三章第五節(jié)“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”實(shí)驗(yàn)的拓展，將這一實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測(cè)方法由定性測(cè)定提升為利用傳感器技術(shù)定量測(cè)定。在定量測(cè)定過程中，學(xué)生會(huì)生成一系列問題，如原始數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換、曲線的繪制和比較、異常數(shù)據(jù)的分析等。通過解決這些問題，學(xué)生能夠很好地提升實(shí)驗(yàn)與探究能力、獲取與處理信息的能力以及理解與表達(dá)能力。

本實(shí)驗(yàn)課設(shè)置為三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)：課前準(zhǔn)備、課堂教學(xué)、課后延伸。教學(xué)思路如圖1所示。

2 教學(xué)目標(biāo)

能夠按照科學(xué)探究的要求設(shè)計(jì)出測(cè)定葉片光合速率的實(shí)驗(yàn)方案；

能夠依據(jù)方案使用傳感器及配套軟件進(jìn)行定量化測(cè)定，并運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法建模，簡(jiǎn)明、準(zhǔn)確地描述事物之間的聯(lián)系；

能夠?qū)?shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行交流，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成科學(xué)思維的習(xí)慣。

3 教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得、處理、轉(zhuǎn)換與分析；

教學(xué)難點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、轉(zhuǎn)換；比較并評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異。

4 課前準(zhǔn)備

4.1 學(xué)生方面

學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)教師提供的介紹本節(jié)課所需的實(shí)驗(yàn)裝置和ELAB軟件使用方法的微視頻，掌握相關(guān)軟件器材的使用方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并完成微視頻中的練習(xí)。

4.2 教師方面

教師進(jìn)行多次預(yù)實(shí)驗(yàn)選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料，嘗試控制實(shí)驗(yàn)變量，并對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.3 器材方面

準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的材料器具：電子實(shí)驗(yàn)室（ELAB）軟件、數(shù)據(jù)采集器、CO2傳感器、溫壓傳感器、光強(qiáng)傳感器、計(jì)算機(jī)、密閉透明同化室（有孔可插入傳感器）、100 W白熾燈、橡皮泥、葉齡及大小相近的草繡球葉片若干、水浴控溫裝置、遮光布等。

5 教學(xué)過程

5.1 導(dǎo)入

教師提出本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的任務(wù)：利用傳感器技術(shù)測(cè)定真正光合速率。由于課前學(xué)生已通過微視頻、小組討論和實(shí)踐操作，熟悉了實(shí)驗(yàn)方案和器材的使用，因此可以直接開始實(shí)驗(yàn)。

5.2 實(shí)驗(yàn)操作

師：用PPT展示分組要求：① 分10個(gè)小組，其中5組測(cè)表觀光合速率，5組測(cè)細(xì)胞呼吸速率；② 按要求搭建實(shí)驗(yàn)裝置；③ 使用軟件建構(gòu)3個(gè)坐標(biāo)系（橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)分別為CO2濃度、光照強(qiáng)度和溫度）；④ 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，等待曲線生成。

學(xué)生活動(dòng)：搭建實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

教學(xué)意圖：整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，教師基本上處于觀察者的角色：觀察學(xué)生能夠正確搭建實(shí)驗(yàn)裝置和進(jìn)行預(yù)備性調(diào)試，是否按規(guī)程正確操作儀器。教師通過觀察學(xué)生的操作，進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)

教師布置任務(wù)：① 要求學(xué)生預(yù)測(cè)并繪出CO2濃度變化曲線、表觀光合速率隨二氧化碳濃度變化曲線或細(xì)胞呼吸曲線（以CO2吸收/釋放速率為指標(biāo)）；② 請(qǐng)兩個(gè)小組派代表在黑板上繪出預(yù)測(cè)曲線，并進(jìn)行分析。

學(xué)生活動(dòng)：在實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表相應(yīng)位置，繪出兩條預(yù)測(cè)曲線，小組代表在黑板上繪制，預(yù)測(cè)曲線走勢(shì)并說明。

教學(xué)意圖：① 檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)細(xì)胞呼吸和光合作用知識(shí)的掌握程度；② 通過自評(píng)互評(píng)，修正和彌補(bǔ)知識(shí)缺陷；③ 與后面實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

5.4 數(shù)據(jù)處理、比較和分析

5.4.1 數(shù)據(jù)處理（以表觀光合速率曲線為例）

師：實(shí)驗(yàn)?zāi)苤苯拥玫奖碛^光合速率曲線嗎？

生：不能，所得曲線為二氧化碳濃度隨時(shí)間變化曲線（圖2）。

師：那么應(yīng)當(dāng)如何處理現(xiàn)有數(shù)據(jù)獲得表觀光合速率曲線？（用二氧化碳的吸收速率表示表觀光合速率）

學(xué)生討論各種數(shù)據(jù)處理方法，最后決定先將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得每100 s的平均二氧化碳濃度以及二氧化碳的吸收速率，然后將數(shù)據(jù)輸入Excel軟件（表1），使用軟件生成表觀光合速率曲線（圖3）。

教學(xué)意圖：① 引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成格式規(guī)范的圖、表；② 幫助學(xué)生提升對(duì)曲線解讀和分析的能力，以及利用取點(diǎn)連線作曲線圖呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力；③ 幫助學(xué)生提升語言表達(dá)能力和小組合作能力。

5.4.2 比較所得曲線與預(yù)測(cè)曲線：

學(xué)生活動(dòng)：① 上交實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表；② 針對(duì)與預(yù)測(cè)結(jié)果不同的曲線，由相應(yīng)組派代表分析，并接受其他同學(xué)評(píng)價(jià)，找出問題產(chǎn)生的可能原因，討論解決問題的方法。

教學(xué)意圖：① 能在分析、總結(jié)證據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出合理的解釋；② 利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，幫助學(xué)生提升實(shí)驗(yàn)探究能力。

5.4.3 小組間數(shù)據(jù)比較

師：請(qǐng)同學(xué)們比較不同小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表，是否有差異數(shù)據(jù)？

各小組比較不同小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表，找出差異數(shù)據(jù)，討論異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，并分析如何處理。

教學(xué)意圖：通過這種尋找差異數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到激發(fā)，并體會(huì)到了成功的快樂。

5.4.4 真正光合速率的計(jì)算

師：如何求得真正光合速率？

學(xué)生選定相同二氧化碳濃度和溫度條件下所得的表觀光合速率和細(xì)胞呼吸速率，獲得真正光合速率。

教學(xué)意圖：學(xué)生整合數(shù)據(jù)，提升理性思維。

5.4.5 總結(jié)體悟

師：請(qǐng)交流本節(jié)課上你的收獲和感悟。

學(xué)生從實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析等方面，討論心得體會(huì)。

教學(xué)意圖：在總結(jié)反思的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生新的問題，感悟科學(xué)是解決問題的活動(dòng)的思想。

5.4.6 課后延伸

教師布置課后學(xué)習(xí)任務(wù)：① 布置課后作業(yè)；② 利用現(xiàn)有器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究其他環(huán)境因素對(duì)光合速率的影響。

學(xué)生保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作為課后作業(yè)并上交，完成練習(xí)。

6 本實(shí)驗(yàn)課教學(xué)特色

6.1 制作特殊的水浴裝置，解決了白熾燈照射下裝置溫度升高的疑難問題

本實(shí)驗(yàn)采用傳感器、計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件進(jìn)行表觀光合速率和細(xì)胞呼吸速率的定量測(cè)定，比用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為直觀。筆者設(shè)計(jì)制作了特殊的水浴裝置，解決了白熾燈照射下裝置溫度升高的問題，使實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)（圖4）。

6.2 采用“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)方式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足

在課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，學(xué)生借助微視頻自主學(xué)習(xí)，既可以自己掌控學(xué)習(xí)的節(jié)奏，又可以重復(fù)看視頻，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式中教師無法兼顧每一個(gè)學(xué)生的不足。而在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師更多地讓學(xué)生嘗試表達(dá)和討論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和對(duì)異常數(shù)據(jù)的分析?！敖處熞詫W(xué)為中心”組織教學(xué)活動(dòng)，更好地幫助學(xué)生提升實(shí)驗(yàn)與探究能力、獲取與處理信息的能力以及理解與表達(dá)能力。

6.3 利用實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的科學(xué)方法，實(shí)施科學(xué)方法教育

如何對(duì)高中學(xué)生實(shí)施科學(xué)方法教育，一直是生物課堂教學(xué)中的一大難題。在本實(shí)驗(yàn)中，教師利用實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的科學(xué)方法，較好地實(shí)施科學(xué)方法教育。例如要求學(xué)生依據(jù)已有的信息，預(yù)測(cè)并繪出CO2濃度變化曲線、表觀光合速率曲線或細(xì)胞呼吸曲線，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析與比較。在此基礎(chǔ)上，還要求學(xué)生運(yùn)用已學(xué)知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出合理的解釋，并感悟科學(xué)是一種解決問題的活動(dòng)的思想。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)突出指向“以學(xué)為中心”，實(shí)施科學(xué)方法教育，切實(shí)落實(shí)了三維目標(biāo)；同時(shí)，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)手段和方法，采用傳感器、計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件來定量測(cè)定葉片光合速率和細(xì)胞呼吸強(qiáng)度，是對(duì)教材實(shí)驗(yàn)很好的提升，具有較大的推廣價(jià)值。