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        聚焦實(shí)驗(yàn)教學(xué)、發(fā)展科學(xué)思維
        ——以光合作用第一課時為例

        2019-11-14 02:44:58胡海明葉惠良
        中學(xué)生物學(xué) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:交流科學(xué)探究

        胡海明 葉惠良

        (浙江省寧波市第二中學(xué) 浙江寧波 315010)

        1 設(shè)計思想

        《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。科學(xué)思維是生物學(xué)核心素養(yǎng)“能力”因素的關(guān)鍵部分,是科學(xué)探究的基礎(chǔ),需要在科學(xué)探究中磨礪。科學(xué)探究是生物學(xué)作為科學(xué)的重要特征,是概念形成的途徑,也就自然成為觀念建立的途徑。下面以光合作用第一課時為例,通過以實(shí)驗(yàn)探究活動為特點(diǎn)的主動學(xué)習(xí),來提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)。

        2 背景分析

        2.1 教材分析

        “光合作用”是浙科版高中生物必修一第三章第五節(jié)的知識點(diǎn),既是對前面學(xué)過的知識如細(xì)胞器、吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)、能量通貨ATP等知識的復(fù)習(xí)鞏固,又是學(xué)習(xí)必修三生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)量、物質(zhì)循環(huán)、能量流動以及選修三生態(tài)農(nóng)業(yè)等知識的基礎(chǔ)。

        教材從光合作用概述、光反應(yīng)、碳反應(yīng)以及環(huán)境因素影響光合速率4個角度闡述這一重要內(nèi)容。本節(jié)課將光合作用概述中的葉綠體結(jié)構(gòu)、光合色素的提取和分離、光合色素的功能等知識串聯(lián),不斷滲透“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的生命觀念、提升科學(xué)探究能力和科學(xué)思維品質(zhì)。

        2.2 學(xué)情分析

        學(xué)生在初中科學(xué)課上已經(jīng)學(xué)習(xí)過光合作用的有關(guān)知識,知道了光合作用的場所、葉綠素和反應(yīng)式;學(xué)習(xí)“細(xì)胞質(zhì)”后,對葉綠體的亞顯微結(jié)構(gòu)有初步了解,知道光合作用是合成ATP的重要途徑之一。學(xué)生具備進(jìn)一步學(xué)習(xí)葉綠體亞顯微結(jié)構(gòu)和光合作用原理的知識基礎(chǔ)和興趣。由于浙江省新課改,不同學(xué)校開設(shè)生物學(xué)的年級不同,高一學(xué)生雖能進(jìn)行研磨、過濾等操作,但紙層析法是首次進(jìn)行,需要教師詳細(xì)指導(dǎo),而高二學(xué)生的情況會有明顯改善。

        2.3 重點(diǎn)、難點(diǎn)

        教學(xué)重點(diǎn)是光合色素的種類和作用,難點(diǎn)是光合色素的提取與分離、光合色素的作用。

        3 教學(xué)目標(biāo)

        (1)通過觀察光合作用實(shí)驗(yàn)和葉綠體結(jié)構(gòu)模式圖,能根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀點(diǎn),說出光合作用的概念、葉綠體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與光合作用的聯(lián)系,認(rèn)同光合作用的獨(dú)特性和復(fù)雜性。

        (2)通過對“光合色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的交流討論,理解各試劑在實(shí)驗(yàn)中的作用以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,提高思考和解決問題的能力。

        (3)能夠根據(jù)提供的材料新鮮菠菜、激光筆、分光光度計等,設(shè)計簡單的實(shí)驗(yàn)探究光合色素對單色光的吸收情況。

        (4)能夠根據(jù)光合色素對單色光的吸收情況為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出有價值的建議。

        4 教學(xué)過程

        4.1 課前準(zhǔn)備

        每名學(xué)生獨(dú)立觀看“光合色素的提取和分離”視頻,完成“光合色素的提取和分離”預(yù)習(xí)任務(wù)單。學(xué)生每4人自由成立學(xué)習(xí)小組,自主確定組長,以實(shí)現(xiàn)課堂小組合作完成探究、交流評價的意圖。興趣小組學(xué)生完成“黑藻光合色素的提取”實(shí)驗(yàn),在400~700 nm波長范圍內(nèi),每隔30 nm測量色素提取液對不同波長光的吸收情況,并繪制出吸收光譜圖。興趣小組所繪制的色素提取液的吸收光譜圖供全體學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中使用,為其他同學(xué)提供真實(shí)的數(shù)據(jù),以創(chuàng)造一個構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的學(xué)習(xí)情景。

        4.2 教學(xué)方法

        采用“任務(wù)—探究—交流”相結(jié)合的教學(xué)方法,以學(xué)生操作、展示、交流評價為主,突出學(xué)生的“學(xué)”。

        4.3 課堂實(shí)錄

        4.3.1 新課導(dǎo)入——情景實(shí)驗(yàn)

        教師提供光合作用實(shí)驗(yàn)材料及裝置——1 000 w聚光燈、燒杯、黑藻、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaHCO3溶液,要求學(xué)生仔細(xì)觀察,描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并從場所、條件、原料和產(chǎn)物4個角度對光合作用下定義。

        學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并根據(jù)觀察到的現(xiàn)象,嘗試說出光合作用的概念。大部分學(xué)生能根據(jù)光合作用的場所、條件、原料和產(chǎn)物,說出光合作用的概念。

        設(shè)計意圖:學(xué)生對光合作用的了解比較抽象,一般現(xiàn)實(shí)生活中很難直接觀察到這一現(xiàn)象。黑藻屬于沉水植物,葉片表皮沒有氣孔,但有發(fā)達(dá)的通氣組織,葉肉細(xì)胞光合作用產(chǎn)生的氧氣會聚集至通氣組織處。將莖折斷后置于NaHCO3溶液中,并給予光照,一段時間后,可明顯觀察到氣泡冒出。本實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生獲得對光合作用的直觀感受。然后,教師再引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)角度對光合作用下定義,激發(fā)學(xué)生求知欲,引入主題。

        4.3.2 任務(wù)一:探究葉綠體進(jìn)行光合作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

        教師提出問題:葉綠體的哪些結(jié)構(gòu)特征有利于其進(jìn)行光合作用?

        學(xué)生自主學(xué)習(xí)教材P86,獨(dú)立思考并回答。然后,再通過小組間補(bǔ)充評價得出:

        ①葉綠體內(nèi)膜和外膜透明,有利于光的穿透;

        ②類囊體堆疊形成基粒,增加了葉綠體內(nèi)膜的面積;

        ③基粒中含有的葉綠素可以吸收太陽光。

        葉綠體的這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于其進(jìn)行光合作用。

        設(shè)計意圖:由于教材文字和插圖對于這一知識點(diǎn)有詳細(xì)介紹,因此教師通過設(shè)計問題,讓學(xué)生帶著問題閱讀相應(yīng)內(nèi)容即可獲得所需知識,同時培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獲取并加工信息能力。

        4.3.3 任務(wù)二:完成“探究葉綠體中光合色素的種類”活動

        教師提出問題:葉綠體中的光合色素是否只有葉綠素?

        4名學(xué)生組成一個學(xué)習(xí)小組。首先,每兩名學(xué)生合作完成一組光合色素的提取和分離活動。然后,4名學(xué)生匯總實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,討論并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,歸納出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,并思考實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵步驟及原因。接著,各小組課堂展示交流(小組合作說明:組長統(tǒng)籌分工,組員完成相應(yīng)任務(wù),記錄員用文字或圖形記錄結(jié)果,發(fā)言人進(jìn)行匯報交流)。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示大部分學(xué)生的濾紙條上能觀察到4條不是很整齊的色素帶。小組間補(bǔ)充完善得出實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵之處:

        ①畫濾液細(xì)線時確保細(xì)且直,使色素擴(kuò)散均勻;

        ②濾液細(xì)線干后再畫,確保濾液細(xì)線較細(xì),使色素跑得更加整齊,重復(fù)畫2~3次,使濾液細(xì)線上的色素多一些,分離后的色素帶更加清晰;

        ③濾液細(xì)線高于層析液液面,否則色素溶解到層析液中,將得不到清晰的色素帶;

        ④研磨時加入少量SiO2使研磨更充分,便于色素完全釋放;

        ⑤加入少量CaCO3,可以中和細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)酸,防止有機(jī)酸破壞葉綠素;

        ⑥研磨要迅速充分,葉綠素不穩(wěn)定,易被破壞,時間過長或研磨不充分都會導(dǎo)致色素的量太少而使實(shí)驗(yàn)失??;

        ⑦制備濾紙條時,要剪去兩角,這樣可以減小邊緣效應(yīng),使色素在濾紙上擴(kuò)散均勻;

        ⑧收集濾液后,要及時用棉塞將試管口塞緊,防止濾液揮發(fā)。

        設(shè)計意圖:以菠菜葉中光合色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)為情境,學(xué)生自己動手提取和分離光合色素,然后展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行相互評價,提高了動手能力、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的交流評價與討論能力。同時,設(shè)計實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵步驟等問題引導(dǎo)學(xué)生對整個過程進(jìn)行反思,讓學(xué)生理解每一步驟的目的,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。

        4.3.4 任務(wù)三:設(shè)計實(shí)驗(yàn)探究光合色素對單色光的吸收情況

        教師提出問題:色素對不同單色光的吸收情況是否相同?

        學(xué)生根據(jù)新鮮菠菜葉片,利用單色光激光筆(模擬紅光、藍(lán)光和綠光)等設(shè)計實(shí)驗(yàn),探究光合色素對單色光的吸收情況。其中,有四組提出的實(shí)驗(yàn)方案相同,即用激光筆照射菠菜色素提取液,用體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液作對照。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是綠光能穿透、紅光和藍(lán)光無法穿透。兩組提出用不同激光直接照射菠菜葉片,觀察激光穿透情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示三種激光都能穿透一片菠菜葉。各小組交流后一致認(rèn)為與色素含量有關(guān),于是改進(jìn)實(shí)驗(yàn),增加葉片數(shù)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)增加到4片菠菜葉時,紅光和藍(lán)光均無法穿透,綠光仍然能穿透。有學(xué)生提出,用激光直接照射菠菜葉片的說服力不夠強(qiáng),因?yàn)椴げ巳~片中除了色素,還有其他物質(zhì)會干擾。其他學(xué)生一致認(rèn)可第一種方案。

        設(shè)計意圖:教師提供實(shí)驗(yàn)材料,學(xué)習(xí)小組討論、設(shè)計并實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案,培養(yǎng)了創(chuàng)造性思維。通過小組間相互評價、質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)方案,培養(yǎng)學(xué)生的交流、評價能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣。

        4.3.5 任務(wù)四:興趣小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果在課堂展示

        學(xué)生代表匯報實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,教師對學(xué)生再交流過程中提出的困惑給予幫助。

        各小組派代表匯報實(shí)驗(yàn)過程:

        ①取0.5 g黑藻葉片浸入10 mL體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液,浸泡48 h;取上清液稀釋后用于測定對不同波長光的吸收情況,體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液作對照。

        ②在波長400~700 nm范圍內(nèi),每隔30 nm測色素的光吸收值。

        ③記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1和圖1。各小組與興趣小組學(xué)生交流。有學(xué)生提出:為什么黑藻色素提取液對不同波長光的吸收結(jié)果與教材圖3-20葉綠素a的吸收光譜不一致?學(xué)生交流討論后,認(rèn)為:黑藻色素提取液中不只含葉綠素a,本實(shí)驗(yàn)結(jié)果是所有色素對不同波長光的吸收情況。

        設(shè)計意圖:任務(wù)三是光合色素對不同單色光吸收的定性研究,高中學(xué)生更應(yīng)該學(xué)會進(jìn)行定量研究。由于時間限制,讓全體學(xué)生全程參與并不現(xiàn)實(shí),因此通過組建興趣小組來完成這一實(shí)驗(yàn)。興趣小組學(xué)生在課前借助分光光度計等實(shí)驗(yàn)設(shè)備探究光合色素對不同波長單色光吸收的定量研究,課堂上分享實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并構(gòu)建出數(shù)學(xué)模型用于課堂展示和交流,以實(shí)現(xiàn)全體學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)探究過程。

        表1 黑藻色素提取液對不同波長光吸收情況的記錄表

        圖1 黑藻色素提取液的吸收光譜

        4.4 課后拓展

        教師圍繞葉綠體中光合色素的種類和功能這一核心內(nèi)容,建構(gòu)知識體系,組織學(xué)生對如何提高生產(chǎn)實(shí)踐中的光合效率提出有價值的建議。

        5 教學(xué)反思

        5.1 重視科學(xué)探究

        在今天的教育背景下,生物學(xué)教師無論在課堂上還是實(shí)驗(yàn)操作中,都要不斷培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑提問能力。由于科學(xué)探究的要素之一就是提出問題,不斷將問題作為探究的出發(fā)點(diǎn),因此本節(jié)課采用“任務(wù)—實(shí)踐—討論”相結(jié)合的教學(xué)方法,并通過多種形式的實(shí)驗(yàn)探究如光合色素的種類采取分組實(shí)驗(yàn)、光合色素的功能采取演示實(shí)驗(yàn)等以不斷培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。在探究活動過程中,教師要重視學(xué)生間的交流與合作,盡量安排足夠的時間讓學(xué)生對各種想法、觀點(diǎn)進(jìn)行充分的交流和討論,充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望,不能為了趕進(jìn)度而在學(xué)生還沒進(jìn)行足夠的思考時草率地下結(jié)論。

        5.2 注重科學(xué)思維

        生物學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)是教學(xué)的重要內(nèi)容。本節(jié)課將葉綠體結(jié)構(gòu)等內(nèi)容與光合色素的種類和功能等實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來,使實(shí)驗(yàn)成為“教”的手段,也成為學(xué)習(xí)、認(rèn)識科學(xué)方法的手段。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn),充分體會控制變量(如光合色素的功能中的自變量、因變量、無關(guān)變量以及對照實(shí)驗(yàn))等科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法,結(jié)合數(shù)學(xué)建模(黑藻色素吸收光譜曲線),培養(yǎng)敢于質(zhì)疑、創(chuàng)新、猜想的科學(xué)精神,為以后的創(chuàng)新發(fā)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

        教師讓學(xué)生自我設(shè)計實(shí)驗(yàn)探究光合色素對不同單色光的吸收情況,然后根據(jù)教師所提供的材料進(jìn)行演示,讓學(xué)生在手腦并用的活動中迸發(fā)出創(chuàng)造的火花,提高學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計能力,實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的培養(yǎng)。

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