裘 英 田樹青 王 薇

（1 北京市豐臺區(qū)第八中學(xué) 北京 100071 2 北京教育學(xué)院豐臺分院 北京 100073）

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011 版）》提出“面向全體學(xué)生、提高生物科學(xué)素養(yǎng)、倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”的理念。在“光合作用”中考復(fù)習(xí)課的教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)“天宮二號”種菜這一真實問題情境，啟發(fā)學(xué)生回顧光合作用的相關(guān)知識，并提出裝置設(shè)計思路。學(xué)生在已有的光合作用實驗研究和學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，提煉實驗設(shè)計的基本思路和通理通法，在新的問題情境中，運用相關(guān)原理和實驗設(shè)計原則，討論可行的實驗方案并進行實踐，提升對原有核心概念和實驗設(shè)計原則的理解。

1 教學(xué)背景分析

1.1 教材分析 “綠色植物的光合作用”在北京2018年中考《考試說明》“知識考核內(nèi)容”要求為II 級，即要求理解光合作用所列知識內(nèi)容與其他相關(guān)知識內(nèi)容之間的內(nèi)在聯(lián)系，并能在復(fù)雜的情境中綜合運用，進行判斷、分析、解釋、推理和評價。在“實驗考核內(nèi)容”中明確列出了“探究光合作用的條件、原料和產(chǎn)物”這一實驗及其對應(yīng)的科學(xué)探究要求條目?？梢?，該教學(xué)內(nèi)容是初中學(xué)段重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容和考試評價內(nèi)容之一。

初中階段對于光合作用的學(xué)習(xí)聚焦植物個體水平和宏觀現(xiàn)象研究，既有科學(xué)史上的經(jīng)典實驗，也有學(xué)生易于完成的實踐探究活動作為支撐，是學(xué)生在高中學(xué)段進入細胞水平學(xué)習(xí)光合作用過程的基礎(chǔ)。在綠色植物個體水平上學(xué)習(xí)光合作用過程和原理，符合初中階段學(xué)生的認知水平，對學(xué)生理解植物體的生命活動、植物與環(huán)境的關(guān)系，以及綠色植物與人類生存、 發(fā)展等關(guān)系具有重要的意義。所以，從知識的角度看，光合作用的原理是復(fù)習(xí)的重點；從研究方法和實驗設(shè)計原則的角度看，科學(xué)史中的二手資料探究和學(xué)生實驗實踐活動需要提煉和加工，是突破科學(xué)探究和實驗設(shè)計這一復(fù)習(xí)難點的良好載體。同時，學(xué)生小組討論和組間交流，可不斷完善實驗設(shè)計方案，引導(dǎo)學(xué)生體會探究與合作的樂趣，鼓勵學(xué)生利用已有的光合作用相關(guān)知識和實驗設(shè)計方案解決“天宮二號”種菜這一真實問題，有助于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維水平，提高其社會責(zé)任意識。

1.2 學(xué)情分析 學(xué)生初一時對“綠色植物的光合作用”內(nèi)容已形成基本概念，對科學(xué)探究過程也有初步體驗。但在中考復(fù)習(xí)時，因距離新課學(xué)習(xí)的時間較長，學(xué)生對這部分知識在一定程度上已有所遺忘，不能很好地將知識應(yīng)用到實際生產(chǎn)生活中，對相關(guān)的光合作用探究實驗設(shè)計、現(xiàn)象、結(jié)論的認識還不夠深刻，遷移能力較弱。

2 重要概念

2.1 綠色植物能利用太陽能（光能），把二氧化碳和水合成貯存了能量的有機物，同時釋放氧氣。

2.2 科學(xué)探究需要通過觀察和實驗等多種途徑獲得事實和證據(jù)。一項觀察或?qū)嶒炛貜?fù)的次數(shù)越多，獲得準(zhǔn)確結(jié)果的可能性越大?？茖W(xué)探究既需要觀察和實驗，又需要對證據(jù)、數(shù)據(jù)等進行分析和判斷。科學(xué)探究需利用多種方式呈現(xiàn)證據(jù)、數(shù)據(jù)，例如采用文字、圖表等方式表述結(jié)果，需要與他人交流和合作。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：闡明綠色植物的光合作用過程；明確實驗變量和實驗設(shè)計原則。

2）能力目標(biāo)：選擇恰當(dāng)?shù)膶嶒灢牧希辉O(shè)計對照實驗；發(fā)展科學(xué)探究能力；通過實驗條件的控制獲得可靠的實驗數(shù)據(jù)（證據(jù)）作為檢測指標(biāo)，理解自變量和因變量的關(guān)系；分析實驗數(shù)據(jù)，作出推理和判斷，得出結(jié)論。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：體驗科學(xué)探究設(shè)計和實踐過程中的樂趣； 參與實驗設(shè)計方案的討論，與伙伴交流討論，體會合作的重要性；認同光合作用研究的價值，增強民族自豪感。

4 教學(xué)過程

4.1 創(chuàng)設(shè)復(fù)習(xí)課問題情境 教師播放新聞視頻，并介紹：天宮二號空間實驗室，是繼天宮一號之后中國自主研發(fā)的第2 個空間實驗室，2016年9月16日發(fā)射升空。宇航員有一項特殊的任務(wù)——“種菜”，景海鵬和陳冬在1 個月的時間里，栽培了生菜這一生活中十分常見的蔬菜。

問題1：太空種菜與校園或居室中種菜哪個更容易？

問題2：在太空這樣的特殊環(huán)境條件下，應(yīng)如何設(shè)計裝置保證生菜的正常生長？

學(xué)生經(jīng)過討論，聚焦解決該問題需考慮植物光合作用的條件和影響因素，從而進入基礎(chǔ)知識的復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)。

4.2 喚起回憶，儲備實驗設(shè)計所需的知識

4.2.1 策略1：利用光合作用反應(yīng)式，回顧重要概念 教師提供術(shù)語磁貼，包括光能、葉綠體（貯存能量）、條件、水、氧氣、原料、淀粉、二氧化碳、場所、產(chǎn)物等，要求學(xué)生利用這些名詞，加上適當(dāng)?shù)倪B接符（加號、箭頭等），構(gòu)建光合作用的反應(yīng)式。學(xué)生在學(xué)案上撰寫，同時請一位學(xué)生在黑板上將寫有相關(guān)名詞的字條按照正確的順序粘貼（圖1）。

圖1 光合作用的反應(yīng)式

學(xué)生完成此任務(wù)時出現(xiàn)的問題集中在“物質(zhì)變化”與“能量變化”不分，表現(xiàn)為光能和儲存能量2 個磁貼的位置擺放錯誤，教師針對學(xué)生表現(xiàn)的問題與學(xué)生進行討論和糾正。該問題與課前預(yù)設(shè)一致，因為學(xué)習(xí)新課時，學(xué)生尚沒有化學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)，在理解光合作用過程時更多的是機械記憶，通過復(fù)習(xí)課可提升學(xué)生跨學(xué)科理解重要概念的意識；同時，這也是生物學(xué)科滲透物質(zhì)與能量觀念的好素材。

4.2.2 策略2：利用實驗裝置圖和動畫，回顧重要實驗 教師提供光合作用科學(xué)史或?qū)W生實驗裝置圖片磁貼，讓學(xué)生將磁貼對應(yīng)在光合作用反應(yīng)式中相應(yīng)的位置，引導(dǎo)學(xué)生體會光合作用研究中的每一步都是有實驗依據(jù)的。圖片有助于學(xué)生回顧實驗結(jié)果和現(xiàn)象，例如探究光合作用產(chǎn)生淀粉的實驗（圖2、圖3）。

圖2

圖3

從考試評價的角度分析，學(xué)生還需掌握一些經(jīng)典實驗的操作過程細節(jié)和原理依據(jù)，磁貼這種靜態(tài)圖片無法達到理想效果。教師利用“京版云”平臺上的動畫，與學(xué)生一起回顧經(jīng)典實驗?zāi)康摹⒉襟E、現(xiàn)象和結(jié)論。

在復(fù)習(xí)學(xué)生熟知的實驗過程中，利用具體實驗例證引出自變量、檢測指標(biāo)與因變量的概念，引導(dǎo)學(xué)生理解實驗設(shè)計的一般方法，即自變量是實驗中人為控制的變量，例如對葉片進行局部遮光處理，有光/無光就是自變量；檢測指標(biāo)是實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象，例如局部遮光的葉片在照光之后經(jīng)脫色處理，滴加碘液，有的區(qū)域變藍，有的不變藍，遇碘變藍/不變藍就是檢測指標(biāo)；因變量是實驗中由于自變量的作用而發(fā)生改變的變量，例如葉片變藍的部分有淀粉生成，反之則無，有淀粉/無淀粉就是因變量。探究實驗的設(shè)計就是人為控制自變量，觀察自變量導(dǎo)致檢測指標(biāo)的變化；檢測指標(biāo)的變化反映因變量的變化，由因變量的變化看自變量對因變量的影響。

在新的問題情境中，遷移已有的實驗原理和思路，開展創(chuàng)新性實驗設(shè)計是以這樣的實驗設(shè)計一般方法為基礎(chǔ)的，這是本節(jié)復(fù)習(xí)課的難點，也為后續(xù)實驗設(shè)計的思維制高點搭設(shè)平臺，保證更多的學(xué)生可以順利地邁上新的臺階。

4.3 親歷探究過程，遷移重要概念和嘗試運用實驗一般方法

4.3.1 確定探究課題 教師提供研究性學(xué)習(xí)小組學(xué)生發(fā)現(xiàn)有一種化學(xué)試劑BTB（溴麝香草酚藍）水溶液顏色變化可反映水中二氧化碳含量變化，原理如圖4所示。

圖4 BTB（溴麝香草酚藍）水溶液顏色變化

為提高課堂教學(xué)的參與性，也為后續(xù)探究活動做準(zhǔn)備，課堂上組織學(xué)生進行實驗操作，體驗實驗原理。具體過程包括：先慢慢向溶液內(nèi)吹氣，觀察顏色變化；溶液變成綠色，再用力吹，直到溶液不再變色。學(xué)生在操作過程中觀察到，隨著吹氣的增加，溶液由藍變綠，再變成黃色，從而體會BTB溶液的顏色隨二氧化碳濃度增加而產(chǎn)生的變化。

教師在體驗后追問2 個問題，設(shè)問的目的在于檢查學(xué)生對本實驗材料和原理的理解。

問題1：向BTB 水溶液中吹入氣體，呼出的氣體與吸入的空氣相比有什么不同，而使BTB 水溶液變?yōu)辄S色？引導(dǎo)學(xué)生正確理解由于呼出的氣體與吸入的空氣相比含有較多的二氧化碳，使BTB水溶液變?yōu)辄S色。

問題2：充滿二氧化碳的水就好像“探究光合作用產(chǎn)生氧氣”的實驗向水中放入適量的碳酸氫鈉的作用。能否用充滿二氧化碳的BTB 溶液幫助探究光合作用？引導(dǎo)學(xué)生理解由于呼出的氣體與吸入的空氣相比含有較多的二氧化碳，使BTB 水溶液變?yōu)辄S色。二氧化碳濃度的變化，無法用肉眼感知，借助BTB 二氧化碳飽和溶液的顏色變化能觀察二氧化碳濃度的改變，因此充滿二氧化碳的BTB 水溶液可用于“探究光合作用吸收二氧化碳”，由此確定了探究課題：探究光合作用吸收二氧化碳。

4.3.2 討論實驗方案 教師提供分組剪貼圖作為模擬材料用具，讓學(xué)生選擇恰當(dāng)?shù)募糍N圖（圖5），表達本組設(shè)計實驗方案。設(shè)計目的是在實驗條件、材料選擇和對照設(shè)計方面提供半開放的空間，供學(xué)生選擇和討論。

圖5 材料用具剪貼圖

活動要求：①各組要有目的地挑選資源（圖片）設(shè)計實驗，用剪貼圖呈現(xiàn)設(shè)計思路，并能分析說明各個圖片代表的意義； ②在描述本組的實驗設(shè)計時，請這樣組織語言：該組控制_______ 條件（自變量）；觀測__________ 變化（觀測指標(biāo)）；反映______ 變化（因變量）；說明______ 問題（結(jié)論）。

第1 種學(xué)生方案（圖6）：該組的實驗是探究綠色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了有/無植物的自變量，觀測黃色的BTB 溶液是否變藍色的檢測指標(biāo)，反映因變量二氧化碳濃度的變化，若有植物的1 號試管變藍，無植物的2 號試管沒有變藍，則反映了1 號試管二氧化碳濃度降低；2 號試管二氧化碳濃度沒有變化，說明光照不能使BTB 溶液變色，BTB 溶液由黃變藍的原因是綠色植物在光下吸收二氧化碳。

圖6 實驗裝置

圖7 實驗裝置

第2 種學(xué)生方案（圖7）：該組的實驗是探究綠色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了有光/無光的自變量，觀測黃色的BTB 溶液是否變藍色的檢測指標(biāo)，以反映因變量二氧化碳濃度的變化，若有光的1 號試管變藍，無光的2 號試管沒有變藍，則反映了1 號試管二氧化碳濃度降低；2 號試管二氧化碳濃度沒有變化，說明植物的生命活動（呼吸等）不能使BTB 溶液變色，BTB 溶液由黃變藍的原因是綠色植物在光下吸收二氧化碳。

第3 種學(xué)生方案（圖8）：該組的實驗是探究綠色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了植物多/少的自變量，觀測黃色的BTB 溶液是否變藍色的檢測指標(biāo)，以反映因變量二氧化碳濃度的變化。若無植物的1 號試管不變藍，有植物的2 號試管、3 號試管、4 號試管變藍的速度越來越快，則反映了1 號試管二氧化碳濃度不變，2 號試管、3 號試管、4 號試管的二氧化碳吸收速度越來越快，說明綠色植物越多在光下吸收二氧化碳越快。

圖8 實驗裝置

從以上3 種實驗方案看，學(xué)生均能明確自己研究的自變量、因變量，實驗設(shè)計符合探究實驗設(shè)計的基本原則，但從實驗探究目的考慮，對照不全面或不相符，可相互借鑒、加以修改和完善。

基于學(xué)生的討論，教師提出第4 種方案：1 組和2 組分別考慮到光合作用的重要因素——光和植物，是否能將這2 個因素在一組裝置中同時體現(xiàn)？教師出示一套實驗設(shè)計裝置（圖9），并提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考討論。

圖9 實驗裝置

教師引導(dǎo)學(xué)生分析： 設(shè)置1 號試管的目的是探究綠色植物在光下吸收二氧化碳； 設(shè)置2 號試管的目的是探究光照能否使BTB 水溶液變色；設(shè)置3 號試管的目的是探究在無光的情況下植物是否吸收二氧化碳，所以學(xué)生認可這套實驗裝置更好，只用3 支試管就完成了2 組實驗，并符合科學(xué)探究實驗的單一變量原則和對照原則，實驗結(jié)果準(zhǔn)確可靠，令人信服。該過程沒有否定任何一組的實驗設(shè)計方案，而是保留合理的部分，去粗取精，增強學(xué)生的實際獲得感，體會在合作與討論中完善實驗方案的樂趣。

師生共同完成實驗預(yù)期：1 號試管的BTB 水溶液由黃色變藍色，2 號試管不變色，3 號試管也不變色，即表明只有1 號試管內(nèi)的綠色植物吸收了二氧化碳，進行了光合作用。

4.3.3 完成實驗操作 學(xué)生分組按照已討論的實驗方案進行操作，全班學(xué)生的1 號和2 號試管均放在距中央光源20cm 的同心圓上（圖10），3 號試管放在暗箱中（圖11）。放置好試管后，打開光源，關(guān)閉暗箱門，進行實驗（圖12、圖13）。

由于實驗結(jié)果需要一定的時間，課上展示上一個班的實驗結(jié)果（圖14、圖15），實驗結(jié)果正如預(yù)期，因此得出結(jié)論，并引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)探究的規(guī)范用語分析實驗： 實驗探究綠色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了有光無光和有無植物的自變量，觀測黃色的BTB 溶液是否變藍色的檢測指標(biāo)，以反映因變量二氧化碳濃度的變化。結(jié)果顯示，在有植物并有光照的試管中，BTB 水溶液顏色由黃變藍，從而得出綠色植物在光下吸收二氧化碳的結(jié)論。

4.4 回扣問題情境，總結(jié)提升復(fù)習(xí)要點 教師引導(dǎo)學(xué)生反思所做的科學(xué)探究與科學(xué)家的研究工作是類似的，其本質(zhì)都是人為控制的自變量對因變量的影響。進行實驗探究應(yīng)該明確實驗?zāi)康?、設(shè)置自變量、選擇檢測指標(biāo)、通過檢測指標(biāo)推理出因變量的變化，從而得出結(jié)論。

本節(jié)課復(fù)習(xí)了光合作用原理及科學(xué)探究的一般方法，如何幫助科學(xué)家解決了太空種生菜的問題？此處回扣課前情境。在太空的環(huán)境下，如何設(shè)計裝置種植生菜？在太空種植進行實驗探究時應(yīng)注意哪些問題？學(xué)生根據(jù)討論，明確空氣、溫度、光照等作為人為控制的自變量，生菜生長狀況作為因變量，可以觀察和測量。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課引入實驗探究中的自變量等概念，以及探究實驗的設(shè)計，在應(yīng)用的層面復(fù)習(xí)光合作用的重要概念，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，從而突破本節(jié)課知識和學(xué)科研究方法上的重、難點內(nèi)容。引入自變量、觀測指標(biāo)和因變量的概念，引導(dǎo)學(xué)生在熟悉的情境中（已做的實驗）理解這3 個概念在科學(xué)探究實驗設(shè)計中的作用，厘清三者的關(guān)系，提升對實驗設(shè)計基本原則的理解，并在新的問題情境中，利用BTB 檢驗二氧化碳濃度的變色反應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生有效選擇適合的材料，設(shè)計探究實驗方案，積極尋求有效的問題解決方法。利用概念模型，引導(dǎo)學(xué)生描述自己的實驗設(shè)計，用規(guī)范性語言進行表述和交流，由此，給學(xué)生的思維過程搭建了臺階，使學(xué)生的邏輯思維推理規(guī)范化，并啟發(fā)學(xué)生從特殊到一般進行歸納總結(jié)，尋找進行實驗探究的過程和方法，運用科學(xué)探究的一般方法解決實際問題。

教師引導(dǎo)學(xué)生反思自己的實驗探究與科學(xué)家的實驗設(shè)計相同之處，引導(dǎo)學(xué)生認識到科學(xué)史上經(jīng)典實驗的重大啟迪，并結(jié)合學(xué)生熟知的實驗，提煉實驗設(shè)計的一般方法，促進實驗設(shè)計思路和方法的遷移。通過對證據(jù)進行觀察、比較、分析、綜合、抽象與概括，學(xué)生真正理解和掌握了科學(xué)探究的重要規(guī)律和原理，養(yǎng)成理性思維習(xí)慣、科學(xué)的思維方式，達成了本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，具有借鑒意義。