丘城鋒

(廣東省廣州市東圃中學(xué) 廣州 510660)

核心概念是位于學(xué)科中心的概念性知識，包括對概念、原理、理論等的基本理解和解釋，這些內(nèi)容能夠展現(xiàn)當(dāng)代學(xué)科圖景，是學(xué)科結(jié)構(gòu)的主干部分[1]?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》要求教師在設(shè)計(jì)和組織教學(xué)活動時(shí)，應(yīng)該圍繞大概念和重要概念開展教學(xué)活動，促進(jìn)學(xué)生對生物學(xué)概念的建立、理解和應(yīng)用[2]。

心理學(xué)家皮連生指出任何知識的獲得都必須通過學(xué)生的同化才有可能[3]。由此可見，概念教學(xué)不是讓學(xué)生簡單牢記概念的定義，而是引導(dǎo)學(xué)生解釋和探索感悟生活中的現(xiàn)象，對情境現(xiàn)象產(chǎn)生認(rèn)知沖突，理解概念的內(nèi)在原理，幫助學(xué)生將科學(xué)概念、科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究技能等方面的素養(yǎng)融合一起。學(xué)生對核心概念的理解離不開重要概念的形成，從核心概念的外延出發(fā)，拓展和延伸出相關(guān)重要概念，促使學(xué)生形成知識體系，全面理解核心概念。

“環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”是教材中的探究性實(shí)驗(yàn)，本文以“光照強(qiáng)度對黑藻光合作用的影響”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的探究思維，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建與光合作用相關(guān)的重要概念，幫助學(xué)生建立生物學(xué)觀念和重要概念，促進(jìn)對核心概念的理解深化，使探究性實(shí)驗(yàn)成為學(xué)生掌握生物學(xué)概念的方法和途徑。

1 探究性實(shí)驗(yàn)在構(gòu)建重要概念教學(xué)的理論模式

探究性實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生從核心概念外延出發(fā)，針對問題探究來獲取和構(gòu)建知識，從而聚焦重要概念的理解和掌握。圖1為探究性實(shí)驗(yàn)過程中重要概念構(gòu)建模式圖，通過探究性實(shí)驗(yàn)活動讓學(xué)生在所探究的問題中，發(fā)現(xiàn)和獲取新知識，構(gòu)建重要概念，最后聚焦核心概念。

圖1 實(shí)驗(yàn)探究過程中構(gòu)建重要概念教學(xué)理論模式

2 剖析核心概念，引申核心概念外延

人教版教材中“光合作用”是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)換成儲存著能量的有機(jī)物，并且釋放出氧氣的過程。該概念明確光合作用的生物類型、場所、能量轉(zhuǎn)換、原料和產(chǎn)物。核心概念有其特定的內(nèi)涵和外延，引導(dǎo)學(xué)生理解這一點(diǎn)，才能更好地掌握和理解核心概念。對光合作用核心概念內(nèi)涵的剖析就是光合作用概念的延伸，如通過光照強(qiáng)度對光合作用的影響外延出光反應(yīng)、光合作用強(qiáng)度、總光合作用、凈光合作用、光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)等重要概念(表1)。

表1 “光照強(qiáng)度對光合作用的影響”核心概念知識梳理

3 探究性實(shí)驗(yàn)在概念建構(gòu)中的教學(xué)策略

概念的學(xué)習(xí)始于問題，概念是在研究問題的過程中建立的，大概念是在解決一系列問題串的過程中，一步一步概括出來的[4]。實(shí)驗(yàn)探究過程就是學(xué)生的認(rèn)知沖突的過程，將觸發(fā)學(xué)生思維的碰撞，運(yùn)用探究性實(shí)驗(yàn)來指導(dǎo)概念教學(xué)，教師需針對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，創(chuàng)設(shè)“問題情境”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流探討，鼓勵學(xué)生自己觀察、思考、提問，幫助學(xué)生獲得新的認(rèn)知，并通過文字描述、數(shù)字表格、曲線圖等方式完成報(bào)告，揭示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)，將核心概念延伸出去，實(shí)現(xiàn)對重要概念的構(gòu)建和理解。

4 探究不同光照強(qiáng)度對黑藻光合作用的影響

4.1 提出問題和作出假設(shè) 依據(jù)教材光合作用的核心概念內(nèi)涵，光合作用需在光照下進(jìn)行，并且釋放出氧氣。引導(dǎo)學(xué)生據(jù)此提出問題： 不同光照強(qiáng)度會對黑藻光合作用產(chǎn)生怎樣的影響？依據(jù)學(xué)生提出的問題，教師創(chuàng)設(shè)問題情境： 怎樣判斷光照下黑藻是否進(jìn)行光合作用？是否只要有光，黑藻就會釋放O2？不同光照強(qiáng)度，黑藻光合作用強(qiáng)度會怎樣變化？針對情境問題，學(xué)生通過初步實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在弱光下，黑藻的葉片沒有附著氣泡，說明弱光下黑藻沒有釋放O2，同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)黑藻附著的氣泡數(shù)目與光照強(qiáng)度有關(guān)聯(lián)，由此引導(dǎo)學(xué)生作出假設(shè)： 在一定光照強(qiáng)度下，黑藻光合作用強(qiáng)度隨著光照強(qiáng)度升高而增強(qiáng)。

4.2 探究過程 實(shí)驗(yàn)材料用具： 生長發(fā)育狀況良好的黑藻、不同瓦數(shù)的LED光源、1% NaHCO3溶液、錐形瓶和U型管等。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要經(jīng)歷辨別變量，即怎樣設(shè)置自變量，怎樣觀察因變量，怎樣控制無關(guān)變量。學(xué)生交流討論后，依據(jù)實(shí)驗(yàn)作出的假設(shè)，實(shí)驗(yàn)自變量為不同光照強(qiáng)度(不同瓦數(shù)的LED光源)，因變量為1 h內(nèi)O2的釋放量(U型管液面上升的高度)作為衡量黑藻光合作用強(qiáng)度的指標(biāo)。無關(guān)變量的控制需適宜且一致，如： 不同組別的實(shí)驗(yàn)要保證光源與裝有黑藻的錐形瓶相同的距離，CO2緩沖液濃度和錐形瓶內(nèi)NaHCO3溶液的體積相同，黑藻的生長發(fā)育狀況和數(shù)量要一致，采用冷光源以更好地控制實(shí)驗(yàn)溫度等。學(xué)生依據(jù)變量辨別，設(shè)計(jì)和完善實(shí)驗(yàn)，制定實(shí)驗(yàn)裝置(圖2)。

圖2 “不同光照強(qiáng)度對黑藻光合作用的影響”實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生設(shè)計(jì)和繪制表格，以便于在實(shí)驗(yàn)過程中觀察并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)。為減少實(shí)驗(yàn)誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，教師引導(dǎo)學(xué)生思考： 如何獲得更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？學(xué)生在交流后，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，獲得相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后求其平均值。

表2 “不同光照強(qiáng)度對黑藻光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成曲線圖。學(xué)生根據(jù)表格的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)曲線圖，教師引導(dǎo)學(xué)生如何繪制曲線圖： 以光照強(qiáng)度(LED燈瓦數(shù))為X軸，光合作用強(qiáng)度(U型管液面變化高度平均值)為Y軸，標(biāo)明X軸與Y軸的刻度，隨后根據(jù)表格數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸上描點(diǎn)并繪制曲線(圖3)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為直觀形象地呈現(xiàn)出來。

圖3 不同光照強(qiáng)度對黑藻光合作用的影響

4.3 表達(dá)交流中獲取知識，構(gòu)建重要概念，聚焦核心概念 教師引導(dǎo)學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入剖析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，展開分析和討論。設(shè)置下列問題： 光是如何影響光合作用的？實(shí)驗(yàn)是如何衡量光合作用強(qiáng)度的？U型管液面變化的距離代表什么？如何比較不同光照強(qiáng)度下，光合作用強(qiáng)度的強(qiáng)弱？學(xué)生針對這些問題結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行交流討論，依據(jù)光合作用的內(nèi)涵來看，光是光合作用的條件之一，是能量的輸入，參與光合作用光反應(yīng)階段。其外延是光通過光合色素的吸收、轉(zhuǎn)化過程中，伴隨水光解釋放O2，從而構(gòu)建起“光反應(yīng)”和“光合作用強(qiáng)度”兩個(gè)重要概念。

引導(dǎo)學(xué)生將表格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曲線圖后對其進(jìn)行解讀。設(shè)置下列問題： 黑暗條件下，測得的數(shù)據(jù)A代表什么？所繪制的曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)B的含義是什么？A—B區(qū)間說明什么，同時(shí)讓學(xué)生解釋弱光下，黑藻的葉片為什么沒有附著氣泡？B—C區(qū)間說明什么？光照強(qiáng)度到達(dá)一定值時(shí)，光合作用強(qiáng)度不再增大時(shí)的最小光照強(qiáng)度C代表什么？針對上述問題，引導(dǎo)學(xué)生展開分析和討論得出： 植物能否正常生長取決于凈光合速率(總光合速率和呼吸速率的差值)，即必須高于B點(diǎn)(光補(bǔ)償點(diǎn))；光補(bǔ)償點(diǎn)的高低一定程度上反映該植物能否適應(yīng)弱光環(huán)境，光飽和點(diǎn)是植物生長最迅速所需的臨界光照強(qiáng)度，超過這個(gè)光照強(qiáng)度，植物的光合作用強(qiáng)度不提高。

依據(jù)光合作用的內(nèi)涵來看，氧氣是光合作用的產(chǎn)物，本實(shí)驗(yàn)通過測定不同光照強(qiáng)度下U型管液面變化的距離來代表黑藻的光合作用強(qiáng)度，從而延伸出“呼吸速率”“光補(bǔ)償點(diǎn)”“光飽和點(diǎn)”“凈光合速率”“總光合速率”等重要概念。

教師通過創(chuàng)設(shè)問題情境貫穿實(shí)驗(yàn)探究的過程，引導(dǎo)學(xué)生聚焦并討論和分析問題，有助于學(xué)生對光合作用知識的理解和遷移，最終建構(gòu)多個(gè)與光合作用相關(guān)的重要概念。同時(shí)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 在一定范圍內(nèi)，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，黑藻的光合作用強(qiáng)度增強(qiáng)。通過對相關(guān)重要概念的構(gòu)建，理解光合作用概念的內(nèi)涵和外延，更深刻地認(rèn)識光合作用的過程，揭示光合作用實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換，為細(xì)胞的生存提供能源物質(zhì)，在此基礎(chǔ)上形成生命觀念，并能夠用生物學(xué)核心概念解釋生命現(xiàn)象。

5 基于探究性實(shí)驗(yàn)，聚焦概念學(xué)習(xí)的反思

探究性實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)重視學(xué)生的體驗(yàn)參與。例如實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將錐形瓶和U型管的塞子涂抹上凡士林，以保證實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄和曲線圖的繪制，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和數(shù)形轉(zhuǎn)換能力。問題串驅(qū)動的交流討論，使學(xué)生領(lǐng)悟到科學(xué)家在探究性實(shí)驗(yàn)中解決問題的思路和方法。

從光合作用的核心概念外延的教學(xué)中，拓展延伸相關(guān)的重要概念，要求教師不要“只講概念”，而應(yīng)該“構(gòu)建概念”。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師是引導(dǎo)者。學(xué)生通過探究性實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)觀察到的感性知識進(jìn)行抽象和歸納，整合到自己原有的知識體系中，引發(fā)認(rèn)知沖突和共鳴，進(jìn)而擺脫對光合作用內(nèi)涵的機(jī)械式記憶。探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)能使學(xué)生在構(gòu)建相關(guān)重要概念的同時(shí)，真正去理解核心概念。

基于生物學(xué)核心概念的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)實(shí)際上就是建立在生物學(xué)事實(shí)、原理和規(guī)律上，直指核心概念內(nèi)涵，是對生物學(xué)核心概念深度構(gòu)建的過程，從而幫助學(xué)生將科學(xué)概念、探究技能、科學(xué)思維和生命觀念等相融合。