王駿

摘要：探究性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力的重要載體。教學(xué)“驗(yàn)證綠葉在光下吸收二氧化碳”實(shí)驗(yàn)時(shí)，基于學(xué)情，引導(dǎo)學(xué)生將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“升格”為探究性實(shí)驗(yàn)。具體包括以下3個(gè)探究步驟：初步討論探究性實(shí)驗(yàn)方案，探究綠色植物在光下是否吸收二氧化碳，探究不同濃度二氧化碳對(duì)植物光合作用的影響。

關(guān)鍵詞：生物實(shí)驗(yàn)教學(xué);探究性實(shí)驗(yàn);“驗(yàn)證綠葉在光下吸收二氧化碳”

生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的探究性自然科學(xué)，科學(xué)探究貫穿生物學(xué)學(xué)習(xí)的全過(guò)程。科學(xué)探究能力是學(xué)生應(yīng)該形成和發(fā)展的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，而實(shí)驗(yàn)，尤其是探究性實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力的重要載體。因此，我們可基于學(xué)情，將教材中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“升格”為探究性實(shí)驗(yàn)，以拓展培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的路徑。教學(xué)蘇科版初中生物學(xué)八年級(jí)上冊(cè)《綠色植物與生物圈中的碳氧平衡》一節(jié)中的“驗(yàn)證綠葉在光下吸收二氧化碳”實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者就做了這樣的探索。

“升格”后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)為：（1）探究綠色植物光合作用實(shí)驗(yàn)結(jié)果的生物學(xué)事實(shí)，并對(duì)證據(jù)進(jìn)行歸納、概括與建模;（2）制訂并實(shí)施綠色植物光合作用相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，探究綠色植物對(duì)于維持生物圈中碳氧平衡的重要意義;（3）嘗試運(yùn)用光合作用的相關(guān)知識(shí)解決生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問(wèn)題，探究綠色植物的光合作用實(shí)驗(yàn)的遷移價(jià)值。具體包括以下3個(gè)探究步驟：

一、初步討論探究性實(shí)驗(yàn)方案

教材中，“驗(yàn)證綠葉在光下吸收二氧化碳”的實(shí)驗(yàn)方案如下：

1.取甲、乙、丙3只相同的大廣口瓶（或無(wú)色透明塑料袋），在甲、乙瓶?jī)?nèi)各放入1盆枝葉茂盛的植株，丙瓶?jī)?nèi)不放植株。用橡皮塞塞緊瓶口，并用凡士林封口。再通過(guò)導(dǎo)管分別向各瓶?jī)?nèi)深呼氣十余次，使瓶?jī)?nèi)含有大量二氧化碳。

2.把甲瓶放到黑暗處，把乙、丙瓶放到陽(yáng)光下。2h后，揭開(kāi)瓶塞，分別向甲、乙、丙3只瓶?jī)?nèi)滴入等量的0.1%溴麝香草酚藍(lán)溶液。仔細(xì)觀察各瓶?jī)?nèi)的溴麝香草酚藍(lán)溶液顏色有什么變化。

提示：溴麝香草酚藍(lán)簡(jiǎn)稱BTB，是一種酸堿指示劑，在堿性溶液中呈藍(lán)色，在酸性溶液中呈黃色。水呈中性，BTB滴入基本還是呈淡藍(lán)色。當(dāng)水中溶有二氧化碳后，會(huì)形成碳酸，而碳酸是弱酸，會(huì)使BTB溶液由淡藍(lán)變綠再變成黃色。

教師組織學(xué)生小組討論發(fā)現(xiàn)，將原來(lái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“升格”為探究性實(shí)驗(yàn)，可以從原來(lái)實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)弊端入手：

（1）適宜放置盆栽植物的廣口瓶要求體積大、帶軟木塞、能插入玻璃導(dǎo)管、氣密性好，不太容易找到;若選用較大無(wú)色透明塑料袋，滴加BTB溶液操作不便、耗時(shí)長(zhǎng)、空間大小不易控制。

（2）在未明確植株類(lèi)型的情況下，不同植物的光合作用速率不同。

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)間不可控，現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能呈現(xiàn)最終時(shí)刻二氧化碳的有無(wú)，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

教師指導(dǎo)學(xué)生小組進(jìn)一步討論，最終形成相應(yīng)的探究方案。針對(duì)第（1）點(diǎn)，選用透明礦泉水瓶，優(yōu)點(diǎn)在于材料易得，體積小，所需植物植株少，易搬運(yùn)，使用便捷。針對(duì)第（2）點(diǎn)，選用金魚(yú)藻、銅錢(qián)草、黑藻、綠金錢(qián)對(duì)葉等小型水生植物，不僅與液體環(huán)境相適應(yīng)，而且可方便地置于器皿中，操作簡(jiǎn)單;若植物葉片較大，可借鑒“葉圓片上浮法”，用塑料吸管或筆帽截取葉圓片，并且葉圓片面積越小，實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)明顯現(xiàn)象所用的時(shí)間也就越短，適用范圍較廣;清水能維持水生植物的正常生長(zhǎng)，加入BTB溶液后顏色變化明顯。針對(duì)第（3）點(diǎn)，考慮先滴加BTB溶液，可動(dòng)態(tài)觀察顏色變化，時(shí)間可控，現(xiàn)象明顯。

經(jīng)過(guò)七年級(jí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已具備一定的生物學(xué)知識(shí)，如植物的光合作用、氧氣和二氧化碳的鑒定方法等。另外，初中生具有較強(qiáng)的好奇心、初步的科學(xué)探究技能。這是將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)情基礎(chǔ)。通過(guò)小組合作，學(xué)生選擇了簡(jiǎn)單方便的實(shí)驗(yàn)材料，降低了實(shí)驗(yàn)成本。改進(jìn)之后的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，氣密性好，組裝簡(jiǎn)潔，易操作，可以反復(fù)使用，實(shí)驗(yàn)效果顯著。這有利于激發(fā)學(xué)生的探究熱情，促使其更積極地開(kāi)展科學(xué)探究。

二、探究綠色植物在光下是否吸收二氧化碳

教師演示實(shí)驗(yàn)（也可提前錄制視頻）：在透明礦泉水瓶中加入適量滴有BTB溶液的雪碧，放入銅錢(qián)草，密封，置于光下（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用400W燈泡），溶液變成淡藍(lán)色。

學(xué)生觀察現(xiàn)象，提出假設(shè)：二氧化碳被綠色植物吸收或“蒸發(fā)”了。

教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，預(yù)測(cè)結(jié)果：設(shè)置對(duì)照組2號(hào)，不放銅錢(qián)草，其他條件相同且適宜，如果1號(hào)變成藍(lán)色、2號(hào)不變，則二氧化碳被綠色植物吸收了;如果1號(hào)、2號(hào)都變?yōu)樗{(lán)色，則二氧化碳“蒸發(fā)”了。

學(xué)生交流討論：綠色植物吸收二氧化碳一定需要光照嗎？要控制變量有光和無(wú)光，可設(shè)置對(duì)照組3號(hào)。哪種因素可能會(huì)對(duì)BTB溶液顏色的變化產(chǎn)生干擾？要排除光對(duì)BTB溶液的影響，可設(shè)置對(duì)照組4號(hào)。

根據(jù)討論得到的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生開(kāi)展探究實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果，得出結(jié)論（見(jiàn)表1）。

另外，教師可提出問(wèn)題：為什么使用葉圓片做實(shí)驗(yàn)，最后BTB溶液顏色呈綠色？引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)從葉片的數(shù)量、植物的種類(lèi)、光照強(qiáng)度等方面考慮實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化。

通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，加入BTB溶液動(dòng)態(tài)觀察顏色變化，時(shí)間具有可控性且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。學(xué)生在分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中有效提升了科學(xué)探究能力。

三、探究不同濃度二氧化碳對(duì)植物光合作用的影響

教師提出問(wèn)題：如果要研究二氧化碳對(duì)光合作用的影響，應(yīng)該如何控制變量？ 測(cè)定光合作用強(qiáng)度的指標(biāo)是什么？

學(xué)生討論后形成思路：可通過(guò)不同比例的雪碧稀釋液來(lái)控制二氧化碳的量，可以用氧氣產(chǎn)生速率測(cè)定光合作用強(qiáng)度。就檢測(cè)氧氣釋放速率而言，主要有直接檢測(cè)和間接檢測(cè)兩種方法。直接檢測(cè)法是使用氣體檢測(cè)儀或傳感器顯示氧氣濃度變化;間接檢測(cè)法是將氧氣的釋放量轉(zhuǎn)化為其他便于直接觀測(cè)的量，如葉圓片上浮法。

教師引導(dǎo)學(xué)生定性與定量結(jié)合，開(kāi)展探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)假設(shè)是葉圓片經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的光合作用后產(chǎn)生的氧氣，可附著在葉肉細(xì)胞的間隙或葉片的表面，使葉片的密度降低，進(jìn)而上浮。通過(guò)觀察同一時(shí)間內(nèi)葉圓片浮起的數(shù)量，初步判斷光合作用的強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)方案如下：

（1）用塑料吸管（或筆帽）制作葉圓片，放入盛有水的器皿中，同時(shí)注意遮光，以避免葉圓片因干枯萎蔫或提前進(jìn)行光合作用而影響實(shí)驗(yàn)效果。

（2）將葉圓片置于注射器內(nèi)，并用注射器吸入清水;待排出注射器內(nèi)殘留的空氣后，用橡皮堵住注射器前端的小孔，并緩慢拉動(dòng)活塞，使葉圓片內(nèi)氣體逸出，細(xì)胞間隙充滿水而全部沉到水底。

（3）將雪碧與水以2∶8、4∶6、6∶4、8∶2的體積比配制成50 mL的混合溶液置于透明表1實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果記錄

條件實(shí)驗(yàn)對(duì)照組1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)BTB溶液/mL50505050加入二氧化碳呼氣呼氣呼氣/BTB顏色黃色黃色黃色藍(lán)色加入植物或葉圓片30片/30片/光照光照光照遮光光照BTB顏色藍(lán)色或綠色黃色黃色藍(lán)色結(jié)果分析二氧化碳被綠色植物吸收了無(wú)綠色植物，二氧化碳含量不變無(wú)光照，植物不吸收二氧化碳排除光對(duì)BTB溶液的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論綠色植物在光下吸收二氧化碳

礦泉水瓶中，另設(shè)置只有水的對(duì)照組。五個(gè)礦泉水瓶分別加入10片葉圓片，沿著實(shí)驗(yàn)臺(tái)日光燈所在的直線并列放置，發(fā)現(xiàn)雪碧濃度較大的溶液中的葉圓片不下沉，猜測(cè)原因是葉圓片密度小于雪碧溶液或其中的二氧化碳對(duì)葉圓片的上浮起助力作用。

（4）經(jīng)過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，重新設(shè)置梯度為清水（雪碧體積分?jǐn)?shù)視為0%）、體積分?jǐn)?shù)為10%的雪碧稀釋液、體積分?jǐn)?shù)為20%的雪碧稀釋液。室溫下觀察并記錄5、10、15、20 分鐘后時(shí)葉圓片浮起的數(shù)量，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)定3次，記錄數(shù)據(jù)，取整數(shù)平均值。

（5）利用計(jì)算機(jī)軟件快速處理數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成全班統(tǒng)計(jì)結(jié)果的數(shù)據(jù)曲線圖（如圖1）。

師生一起分析結(jié)果，得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，光合作用隨二氧化碳濃度的增加而增強(qiáng)。教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系七年級(jí)上冊(cè)“植物的光合作用”相關(guān)知識(shí)建構(gòu)思維導(dǎo)圖（如圖2），梳理科學(xué)探究的一般步驟，總結(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，即單一變量原則、對(duì)照原則、平行重復(fù)原則及“葉圓片上浮法”等。

最后，教師提出話題，讓學(xué)生利用本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)裝置和探究思路進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)：探究綠色植物在光下產(chǎn)生氧氣;光的顏色對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響嗎？利用彩色玻璃紙?zhí)骄坎煌赓|(zhì)對(duì)光合作用的影響;臥室放入較多的植物是否科學(xué)？探究植物呼吸作用過(guò)程中氣體的變化;夏季教室開(kāi)空調(diào)后長(zhǎng)時(shí)間密閉是否科學(xué)？利用氣體檢測(cè)儀探究人的呼吸作用。

通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，借力信息技術(shù)準(zhǔn)確讀取氧氣數(shù)值，培養(yǎng)學(xué)生的定量觀。利用計(jì)算機(jī)軟件快速生成曲線圖，發(fā)展學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力及歸納概括、模型建構(gòu)等科學(xué)思維。課上整合關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)，課后進(jìn)行拓展探究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一器多用，遷移學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力、系統(tǒng)整合能力。

生物學(xué)課程中的科學(xué)探究是學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)研究方法、積極主動(dòng)獲取生物學(xué)知識(shí)而進(jìn)行的各種活動(dòng)。教師引領(lǐng)學(xué)生化驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，并不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)歷進(jìn)階式探究過(guò)程，可提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。