白 云

(廣東省深圳科學高中 廣東深圳 518000)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》在“教學建議”中提出“教師應該提供更多的機會讓學生親自參與和實踐”。因此,本節(jié)課運用自制實驗裝置,縮短實驗操作時間,使學生在有限的課堂中能夠進行完整的實驗探究流程。

1 教學內(nèi)容分析及設計思路

“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”是人教版普通高中生物學《必修1·分子與細胞》第五章第4節(jié)“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”中的一個探究性實驗。實驗的開放性較強,教材提供了一個參考案例,為學生設計實驗提供思路。學生可以自主選擇材料,設計并實施實驗方案。在這一過程中,可以提高學生的科學思維和科學探究能力。學生在探究過程中構(gòu)建概念,深化物質(zhì)和能量觀。教材在此部分更注重學生社會責任的培養(yǎng),光合作用原理的應用主要體現(xiàn)在指導生產(chǎn)實踐,因此本節(jié)課以建立校園溫室需要考慮的環(huán)境條件為情境,學生通過實驗尋求證據(jù),為解決實際問題提供理論依據(jù)。

2 教學目標

(1)能從物質(zhì)和能量觀的視角,說出影響光合作用的因素;

(2)能對實驗現(xiàn)象作出解釋,并基于實驗結(jié)果構(gòu)建環(huán)境因素對光合作用影響的數(shù)學模型;

(3)通過小組合作,制定可行的實驗方案并進行探究實驗,能夠科學地整理數(shù)據(jù),并對結(jié)果進行分析交流;

(4)認同光合作用受多種因素影響,嘗試運用實驗結(jié)論指導校園溫室的建立,體會科學技術(shù)的重要價值。

3 實驗教學準備

3.1 材料用具

綠菊、不同質(zhì)量分數(shù)的NaHCO3溶液(0.5%、1%、1.5%、2%)、不同功率的LED 燈若干(5 W、9 W、15 W)、量筒、燒杯、直尺、計時器、電子天平、剪刀、鑷子、紙箱、注射器(50 mL 和1 mL)、輸液管、紅墨水、記號筆、標簽紙。

3.2 實驗創(chuàng)新

(1)實驗材料的創(chuàng)新

黑藻是常用的生物學實驗材料,用黑藻進行預實驗,發(fā)現(xiàn)由于莖和葉的光合作用強度有差異導致實驗誤差較大,若選取黑藻葉片作為實驗材料,取材又比較耗時。因此,選擇葉片為團簇狀的綠菊作為實驗材料,葉片的獲取較容易,縮短了取材時間。

(2)實驗裝置的創(chuàng)新

用輸液管和注射器連接制成簡易裝置(圖1),利用液滴移動法的原理,通過比較單位時間內(nèi)紅色液滴移動的距離可以定量檢測光合作用的強度,短時間內(nèi)可以觀察到比較明顯的實驗現(xiàn)象。此裝置可以探究光照強度、CO2濃度、溫度、光質(zhì)對光合作用強度的影響。

圖1 實驗裝置圖

4 實驗教學過程

4.1 提出問題,作出假設

學校菜園的蔬菜產(chǎn)量不高,我校計劃建立人工溫室,通過調(diào)節(jié)環(huán)境因素以提高植物的光合作用強度。需要考慮哪些環(huán)境因素?

設計意圖:利用生活情境,提高學生的探究熱情。

4.2 設計實驗方案

教師可通過以下問題引導學生自主設計實驗方案:

(1)本實驗的自變量是什么? 因變量是什么?如何控制自變量? 怎樣觀察或檢測因變量?

(2)對照實驗怎樣設置? 是否需要進行重復實驗?

(3)怎樣保證實驗材料在整個實驗過程中能進行正常的光合作用?

(4)經(jīng)過討論形成實驗方案,列出材料用具清單,設計好記錄實驗數(shù)據(jù)的表格。

設計意圖:提高學生科學探究能力和小組合作能力。

4.3 實施實驗方案

4.3.1 探究不同光照強度對光合作用強度的影響

(1)稱取9 份綠菊,每份2 g;

(2)分別將9 份綠菊放入9 只50 mL 注射器中,向注射器中加入50 mL 質(zhì)量分數(shù)為2% NaHCO3溶液;

(3)將注射器活塞推入注射器,排出注射器內(nèi)多余空氣;

(4)用1 mL 注射器將紅墨水注入輸液管前端,連接輸液管和注射器;

(5)每三份為一組,將上述注射器分別放入裝有5 W、9 W、15 W 燈泡的紙箱中,輸液管在紙箱外;

(6)在輸液管下鋪一張白紙,標記紅色液滴的初始位置;

(7)打開光源開關(guān),5 min 后分別記錄每組3 只注射器中紅色液滴移動的距離,求平均值。

4.3.2 探究不同CO2濃度對光合作用強度的影響

(1)稱取9 份綠菊,每份2 g;

(2)分別將9 份綠菊放入9 只50 mL 注射器中,每3 份為一組,分別向注射器中加入50 mL 質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1%、1.5%的NaHCO3溶液;

(3)將注射器活塞推入注射器,排除注射器內(nèi)多余空氣;

(4)用1 mL 注射器將紅墨水注入輸液管前端,連接輸液管和注射器;

(5)將上述注射器放入裝有9 W 燈泡的紙箱中,輸液管在紙箱外;

(6)在輸液管下鋪一張白紙,標記紅色液滴的初始位置;

(7)打開光源開關(guān),5 min 后分別記錄每組3 只注射器中紅色液滴移動的距離,求平均值。

4.4 分析數(shù)據(jù),得出結(jié)論

根據(jù)實驗記錄的數(shù)據(jù),教師引導學生利用Excel軟件繪制曲線圖,構(gòu)建數(shù)學模型。(圖2、圖3)

圖2 不同二氧化碳濃度對光合作用強度的影響

圖3 不同光照強度對光合作用強度的影響

學生由此得出結(jié)論,一定范圍內(nèi),隨著光照強度(或CO2濃度)的增大,光合作用強度增強。

設計意圖:以歸納、推理及模型構(gòu)建的科學思維為導向,引導學生對實驗結(jié)果進行分析并得出結(jié)論。提高學生數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建的能力。

4.5 分析交流,構(gòu)建概念

結(jié)合實驗結(jié)論,教師提出問題引導學生思考:

(1)根據(jù)光合作用的原理,分析光照強度和CO2濃度影響光合作用強度的機制?

(2)若繼續(xù)提高光照強度或CO2濃度,光合作用強度會繼續(xù)提高嗎?

(3)結(jié)合你們小組的探究結(jié)果,為校園溫室建立需要考慮的環(huán)境因素及采取的措施給出合適的建議。

學生通過分析得出:光照強度主要影響光反應進而影響光合作用強度,CO2濃度主要影響暗反應進而影響光合作用強度;且繼續(xù)增加光照強度或CO2濃度,由于受到暗反應或光反應的限制,光合作用強度可能不會繼續(xù)增強;結(jié)合以上結(jié)論,校園建立溫室需要考慮光照強度和CO2濃度,且為節(jié)約成本,需要進一步探究最適光照強度和CO2濃度。

設計意圖:通過問題串的形式引導學生思考,促進學生科學思維的發(fā)展。同時加強學生對光合作用過程中物質(zhì)和能量觀的理解,深化光合作用概念模型。同時提出問題,將課堂內(nèi)容延伸到課外,引出進一步探究主題。

5 教學反思

本實驗選擇綠菊作為實驗材料,用注射器和輸液管制成實驗裝置,成本低,可操作性強,且實驗現(xiàn)象明顯,實驗耗時短,可以讓學生在有限的課時中完成較為完整的實驗探究過程,有助于學生核心素養(yǎng)的提升。本實驗裝置還可以探究溫度、光質(zhì)等環(huán)境因素對光合作用強度的影響,為學生課外探究活動提供了更多的可能。