“探究環境因素對光合作用的影響”的實驗教學設計

夏 天

(浙江省余姚市第四中學 315400)

1 教材與學情分析

“探究環境因素對光合作用的影響”是浙科版高中生物學必修1[1]第3章第5節“光合作用”中的活動，也是高中生物學中的一個開放性探究實驗。通過本實驗學生可體驗科學探究的一般流程。在本實驗前，學生已經進行過“驗證活細胞吸收物質的選擇性”“探究酶的專一性”“探究pH對過氧化氫酶的影響”等相關的驗證和探究實驗，初步掌握自變量、因變量和無關變量的概念，以及對照實驗、控制變量、設置濃度梯度、重復實驗等實驗設計基本知識。

實驗裝置的設計是本實驗的難點之一。但學生在初中階段進行過“綠葉在光照下制造淀粉”“光合作用產生氧氣”“沉入水底的葉圓片為什么會浮上水面”等實驗[2]，了解相關的實驗裝置，可通過啟發引導學生設計實驗裝置。此外，《浙江省普通高中生物學實驗手冊(必修1·分子與細胞)》[3]也提供了很多參考實驗裝置。在義務教育階段，學生已在數學課和信息技術課中掌握了統計表和統計圖的類型及繪制，并在高中信息技術課中進一步鞏固。因此，學生能夠設計實驗表格、繪制折線圖，具備以圖表形式呈現實驗結果的能力。

2 教學目標

根據浙江省普通高中學科教學的相關指導文件[4～5]，結合本實驗的特點，可確定主要教學目標是使學生能對研究的問題設計實驗方案、對研究結果作出假設和預期、能處理和解釋數據、得出合理的結論。

3 教學準備

除準備實驗材料、試劑和用具外，還要完成導學案的設計、下發和批閱，實驗分組以及預實驗。

3.1 導學案設計、下發和批閱 導學案分為5個部分：一、學習目標。二、思考題：①根據同學們已有的生物學知識和人們的生產、生活經驗，列出影響光合作用的環境因素。②在大家列出的影響光合作用的環境因素中，選擇其中的一種因素，分析這種因素是如何影響光合作用的。在小組范圍內討論，對這個問題提出本組的假設。三、實驗設計：根據你們組的假設，設計單因子對照實驗方案。①你們組的實驗中，自變量、因變量和無關變量是什么？②實驗中，如何定義自變量，怎么控制無關變量？③實驗中，通過什么方法測量因變量(光合速率/光合強度)？④實驗裝置設計。四、實驗結果與分析(表格與坐標圖)。五、實驗結論。

在實驗前兩天下發導學案，以小組為單位完成思考題和實驗設計。實驗前一天上交導學案，教師進行批閱。

3.2 預實驗 科技新苗小組進行預實驗，確定實驗方案——葉圓片法，設置各子實驗的梯度實驗，并錄制預實驗視頻。

4 教學過程

4.1 導學案思考題分析 以PPT的形式呈現學生的回答，請小組代表進行分析，并進行充分討論。從而完成科學探究中“提出問題、作出假設”這兩步。

4.2 設計單因子對照實驗，確定實驗方案 首先，PPT回顧初中《科學》中“綠葉在光照下制造淀粉”“光合作用產生氧氣”和“沉入水底的葉圓片為什么會浮上水面”3個實驗。再簡要分析實驗手冊中的參考實驗裝置。接著，以PPT的形式呈現學生的實驗設計，請小組代表介紹各自的實驗設計。介紹完后，其他學生提問，該小組解答。為了統一實驗方案，最后由科技新苗小組代表匯報預實驗情況，確定實驗方案——葉圓片法(即初中“沉入水底的葉圓片為什么會浮上水面”實驗所采用的方法)，并播放預實驗視頻，演示實驗操作。從CO2濃度、溫度和光強度3個角度探究環境因素對光合作用的影響，每個子實驗由3組完成，即3次重復實驗。至此，完成科學探究的“設計實驗方案”。

4.3 分組實驗 本實驗分為3個子實驗：①探究CO2濃度(NaHCO3濃度)對光合作用的影響：設置蒸餾水、0.5% NaHCO3濃度、1% NaHCO3濃度和1.5% NaHCO3濃度4組；②探究溫度對光合作用的影響：設置10℃、20℃、30℃和40℃共4組；③探究光強度(光源與實驗裝置之間的距離)對光合作用的影響：設置遮光、15 cm、10 cm和5 cm共4組。當NaHCO3濃度作為無關變量時，濃度為1%；當溫度為無關變量時，為室溫；當光強度(光源距離)為無關變量時，保持5 cm。

光合速率用單位時間內上浮的葉圓片數量來衡量。在實驗進行到5 min和10 min時，分別記錄上浮的葉圓片數量。學生分為9組，每個子實驗由3組完成。得到實驗結果后，將實驗數據記錄在導學案和黑板上。至此，完成科學探究的“進行實驗”。

4.4 實驗數據分析，得出實驗結論 學生根據實驗數據求出均值，并作復式折線圖。教師引導學生討論實驗結果的呈現是否正確，并補充圖表規范的相關知識。

然后，學生分析表格數據和折線圖，得出實驗結論：①CO2濃度：在一定范圍內，NaHCO3濃度增加，光合速率加快；②溫度：光合作用存在最適溫度，在此溫度之前，光合速率隨溫度升高而加快，在此溫度之后，光合速率隨溫度升高而下降；③光強度：光合速率隨光強度增加而增加，但達到光飽和點后，光強度再增加光合速率不再增加。至此，完成科學探究的“分析實驗數據、得出實驗結論”。最后，教師以流程圖的形式總結科學探究的一般流程。

5 教學反思

本實驗強調了學生的實驗設計能力和數據分析、呈現能力，以及掌握科學探究的一般流程。若要充分鍛煉學生的這些能力，至少用2課時來進行本活動，第1課時完成“提出問題，作出假設，設計實驗方案”，第2課時完成“進行實驗，分析實驗數據，得出實驗結論”。本實驗還可培養學生嚴謹縝密的科學思維、實事求是的科學態度。例如，在本實驗中，應注意衡量的因變量實際上是表觀光合速率。再如，在實驗過程中，一個小組因操作錯誤而沒有數據，讓該組數據缺省即可。

此外，可以根據教材提供的可選材料(黑藻或金魚藻、水、冰塊、NaHCO3、精密pH試紙、100 W聚光燈、溫度計、大燒杯、不同顏色的玻璃紙)進行相關的拓展實驗。

(基金項目：浙江省余姚市2017年度教研課題“基于核心素養的高中生物實驗創新與教學研究”，No. jy17104403)