葉片光合速率和細胞呼吸強度測定教學案例

梅捷凱

摘 要 本實驗是基于教材“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”實驗的拓展，將原實驗結果的檢測方法由定性測定改為利用傳感器技術定量測定。學生運用數(shù)學的方法建模，簡明、準確地描述事物之間的聯(lián)系，形成科學思維的習慣。本實驗采用“翻轉課堂”教學方式，強調“以學為中心”，通過對植物細胞代謝這一特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及結果的交流與討論，使學生親歷科學探究過程，理解科學知識，學會科學方法，領悟科學思想，體驗成功快樂，并樂于、善于團隊合作，形成生物學核心素養(yǎng)。

關鍵詞 光合速率 傳感器 翻轉課堂

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 教學指導思想

建構主義學習理論認為，知識的學習不是由教師向學生單向傳遞的過程，而是學習者在一定的情境下，通過教師和學習伙伴的幫助，利用必要的學習材料，自主地進行探究活動，完成知識和經(jīng)驗的意義建構，而這種建構是無法由他人所代替的。因此，在生物學實驗教學時，教師要強調“以學為中心”，通過積極創(chuàng)設有效學習的環(huán)境和氛圍，幫助學生親歷科學探究過程，理解科學知識，學會科學方法，領悟科學思想，體驗成功快樂，并樂于、善于團隊合作。

《普通高中生物課程標準（實驗）》的“實施建議”中提出：“在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。教師應向學生提供機會學習量的測定，實事求是地記錄、整理和分析實驗資料、定量表述實驗結果等。”本實驗課是基于《必修1·分子與細胞》第三章第五節(jié)“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”實驗的拓展，將這一實驗中實驗結果的檢測方法由定性測定提升為利用傳感器技術定量測定。在定量測定過程中，學生會生成一系列問題，如原始數(shù)據(jù)的處理和轉換、曲線的繪制和比較、異常數(shù)據(jù)的分析等。通過解決這些問題，學生能夠很好地提升實驗與探究能力、獲取與處理信息的能力以及理解與表達能力。

本實驗課設置為三個教學環(huán)節(jié)：課前準備、課堂教學、課后延伸。教學思路如圖1所示。

2 教學目標

能夠按照科學探究的要求設計出測定葉片光合速率的實驗方案；

能夠依據(jù)方案使用傳感器及配套軟件進行定量化測定，并運用數(shù)學的方法建模，簡明、準確地描述事物之間的聯(lián)系；

能夠對實驗的原始數(shù)據(jù)進行處理，對實驗結果進行交流，對異常數(shù)據(jù)進行分析，形成科學思維的習慣。

3 教學重難點

教學重點：實驗數(shù)據(jù)的獲得、處理、轉換與分析；

教學難點：實驗數(shù)據(jù)的處理、轉換；比較并評價實驗數(shù)據(jù)的差異。

4 課前準備

4.1 學生方面

學生在課前自主學習教師提供的介紹本節(jié)課所需的實驗裝置和ELAB軟件使用方法的微視頻，掌握相關軟件器材的使用方法，設計實驗方案，并完成微視頻中的練習。

4.2 教師方面

教師進行多次預實驗選擇合適的實驗材料，嘗試控制實驗變量，并對預實驗產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)進行分析。

4.3 器材方面

準備與實驗有關的材料器具：電子實驗室（ELAB）軟件、數(shù)據(jù)采集器、CO2傳感器、溫壓傳感器、光強傳感器、計算機、密閉透明同化室（有孔可插入傳感器）、100 W白熾燈、橡皮泥、葉齡及大小相近的草繡球葉片若干、水浴控溫裝置、遮光布等。

5 教學過程

5.1 導入

教師提出本節(jié)實驗課的任務：利用傳感器技術測定真正光合速率。由于課前學生已通過微視頻、小組討論和實踐操作，熟悉了實驗方案和器材的使用，因此可以直接開始實驗。

5.2 實驗操作

師：用PPT展示分組要求：① 分10個小組，其中5組測表觀光合速率，5組測細胞呼吸速率；② 按要求搭建實驗裝置；③ 使用軟件建構3個坐標系（橫坐標為時間，縱坐標分別為CO2濃度、光照強度和溫度）；④ 進行實驗，等待曲線生成。

學生活動：搭建實驗裝置并進行實驗。

教學意圖：整個實驗過程中，教師基本上處于觀察者的角色：觀察學生能夠正確搭建實驗裝置和進行預備性調試，是否按規(guī)程正確操作儀器。教師通過觀察學生的操作，進行過程性評價。

5.3 實驗結果預測

教師布置任務：① 要求學生預測并繪出CO2濃度變化曲線、表觀光合速率隨二氧化碳濃度變化曲線或細胞呼吸曲線（以CO2吸收/釋放速率為指標）；② 請兩個小組派代表在黑板上繪出預測曲線，并進行分析。

學生活動：在實驗結果記錄表相應位置，繪出兩條預測曲線，小組代表在黑板上繪制，預測曲線走勢并說明。

教學意圖：① 檢驗學生對細胞呼吸和光合作用知識的掌握程度；② 通過自評互評，修正和彌補知識缺陷；③ 與后面實驗所得數(shù)據(jù)進行比較。

5.4 數(shù)據(jù)處理、比較和分析

5.4.1 數(shù)據(jù)處理（以表觀光合速率曲線為例）

師：實驗能直接得到表觀光合速率曲線嗎？

生：不能，所得曲線為二氧化碳濃度隨時間變化曲線（圖2）。

師：那么應當如何處理現(xiàn)有數(shù)據(jù)獲得表觀光合速率曲線？（用二氧化碳的吸收速率表示表觀光合速率）

學生討論各種數(shù)據(jù)處理方法，最后決定先將數(shù)據(jù)進行轉換，獲得每100 s的平均二氧化碳濃度以及二氧化碳的吸收速率，然后將數(shù)據(jù)輸入Excel軟件（表1），使用軟件生成表觀光合速率曲線（圖3）。

教學意圖：① 引導學生將數(shù)據(jù)轉換成格式規(guī)范的圖、表；② 幫助學生提升對曲線解讀和分析的能力，以及利用取點連線作曲線圖呈現(xiàn)實驗結果的能力；③ 幫助學生提升語言表達能力和小組合作能力。

5.4.2 比較所得曲線與預測曲線：

學生活動：① 上交實驗結果記錄表；② 針對與預測結果不同的曲線，由相應組派代表分析，并接受其他同學評價，找出問題產(chǎn)生的可能原因，討論解決問題的方法。

教學意圖：① 能在分析、總結證據(jù)的基礎上，對實驗現(xiàn)象做出合理的解釋；② 利用實驗結果的分析，幫助學生提升實驗探究能力。

5.4.3 小組間數(shù)據(jù)比較

師：請同學們比較不同小組實驗結果記錄表，是否有差異數(shù)據(jù)？

各小組比較不同小組實驗結果記錄表，找出差異數(shù)據(jù)，討論異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，并分析如何處理。

教學意圖：通過這種尋找差異數(shù)據(jù)的學習過程，學生的學習興趣得到激發(fā)，并體會到了成功的快樂。

5.4.4 真正光合速率的計算

師：如何求得真正光合速率？

學生選定相同二氧化碳濃度和溫度條件下所得的表觀光合速率和細胞呼吸速率，獲得真正光合速率。

教學意圖：學生整合數(shù)據(jù)，提升理性思維。

5.4.5 總結體悟

師：請交流本節(jié)課上你的收獲和感悟。

學生從實驗操作、實驗數(shù)據(jù)處理和分析等方面，討論心得體會。

教學意圖：在總結反思的基礎上，產(chǎn)生新的問題，感悟科學是解決問題的活動的思想。

5.4.6 課后延伸

教師布置課后學習任務：① 布置課后作業(yè)；② 利用現(xiàn)有器材，設計實驗探究其他環(huán)境因素對光合速率的影響。

學生保存實驗結果，作為課后作業(yè)并上交，完成練習。

6 本實驗課教學特色

6.1 制作特殊的水浴裝置，解決了白熾燈照射下裝置溫度升高的疑難問題

本實驗采用傳感器、計算機以及相關軟件進行表觀光合速率和細胞呼吸速率的定量測定，比用傳統(tǒng)實驗方法所得到的實驗結果更為直觀。筆者設計制作了特殊的水浴裝置，解決了白熾燈照射下裝置溫度升高的問題，使實驗更加嚴謹（圖4）。

6.2 采用“翻轉課堂”的教學方式，彌補了傳統(tǒng)課堂教學的不足

在課前準備環(huán)節(jié)，學生借助微視頻自主學習，既可以自己掌控學習的節(jié)奏，又可以重復看視頻，很好地彌補了傳統(tǒng)教學模式中教師無法兼顧每一個學生的不足。而在課堂教學環(huán)節(jié)，教師更多地讓學生嘗試表達和討論對實驗結果的預測、對實驗數(shù)據(jù)的處理和對異常數(shù)據(jù)的分析。“教師以學為中心”組織教學活動，更好地幫助學生提升實驗與探究能力、獲取與處理信息的能力以及理解與表達能力。

6.3 利用實驗蘊含的科學方法，實施科學方法教育

如何對高中學生實施科學方法教育，一直是生物課堂教學中的一大難題。在本實驗中，教師利用實驗蘊含的科學方法，較好地實施科學方法教育。例如要求學生依據(jù)已有的信息，預測并繪出CO2濃度變化曲線、表觀光合速率曲線或細胞呼吸曲線，并對實測數(shù)據(jù)進行處理、分析與比較。在此基礎上，還要求學生運用已學知識對實驗現(xiàn)象做出合理的解釋，并感悟科學是一種解決問題的活動的思想。

本實驗教學突出指向“以學為中心”，實施科學方法教育，切實落實了三維目標；同時，創(chuàng)新了實驗手段和方法，采用傳感器、計算機以及相關軟件來定量測定葉片光合速率和細胞呼吸強度，是對教材實驗很好的提升，具有較大的推廣價值。