“利用傳感器探究光合作用過程及影響因素”一節的教學設計

胡有紅

摘要 以“傳感器探究光合作用過程和影響因素”一節為例，通過整合和重構教材內容，將光合作用過程由教師直接講授轉變為定量探究，本節課使用傳感器實時測量O₂或CO₂的變化來反應光合作用的實質，探究影響光合作用的環境因素，培養學生的科學素養。

關鍵詞 傳感器 實時測量 教學設計

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，實現信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄等要求。筆者以“探究光合作用過程及影響因素”一節為例，利用二氧化碳傳感器和溶解氧傳感器實時測量二氧化碳或溶解氧的變化，來研究光合作用過程和影響因素。

1教學背景分析

1.1教材分析

光合作用過程是人教版《必修1·分子與細胞》第五章第四節“能量之源——光和光合作用”第二課時的內容，包括光合作用的發現歷程、光合作用過程、光合作用原理的應用，而光合作用的過程和原理的應用是本節內容的重點和難點。筆者嘗試統整教材內容，提供科學史素材，采用探究式教學模式，讓學生自主、合作構建光合作用過程。本節課采用傳感器定量測量溶解氧或氣液相密封實驗器內CO₂的量，探究影響光合作用的環境因素。

1.2學情分析及課前實驗準備

1.2.1學情分析

在介紹光合作用過程之前，學生已經就課本中光合作用研究的科學史為線索，遵循科學家的探索思路，總結出光合作用的探究歷程。因為教材中介紹的科學史非常經典，學生認真學習其探索過程，等于沿著科學家的發現思路作了一次思維的探究，這對于本節課的學習是必要的。

1.2.2課前實驗準備

在數字化實驗室開展教學，配備14臺網絡計算機，學生三人一機為一組，共14組。實驗器材：溶解氧傳感器、二氧化碳傳感器、數據采集器、磁力攪拌器、氣液相密封實驗器、500mL錐形瓶、臺燈、凡士林、水生植物（碗蓮）、陸生植物（綠蘿）等。

2教學目標

（1）說明光合作用過程，研究影響光合作用強度的因素。

（2）嘗試重構和統整課本內容，探究光合作用的建構過程，在理解生物學概念性知識的基礎上形成生命觀念；嘗試用傳感器進行有關實驗和探究，培養理性思維、科學探究能力。

（3）通過對光合作用過程和影響因素的探究，認同科學是在不斷的實驗、探索和爭論中前進的；認同科學研究需要具有質疑、創新和勇于實踐的科學精神和態度，培養學生的社會責任。

3課例分析

本節課教學設計主要包括以下基本程序。

第一階段：情境導入→演示實驗→明確目標。

教師展示校園美景的圖片，導入情境：四時之景，各有不同，唯有秋日，橙黃橘綠，最是好看。

教師設問：當同學們漫步在校園中，有沒有意識到，身邊的植物就是一個個能量轉換器？教師引導學生明確能量轉換器的核心是葉綠體，光合作用實質是利用光能把H₂O和CO₂合成糖類，釋放O₂。

教師演示實驗：

實驗目的：

①用溶解氧傳感器實時測量水中O₂的濃度來反映水生植物的光合作用。

②用CO₂傳感器實時測量容器中CO₂的濃度來反映陸生植物的光合作用

實驗裝置：見圖1和圖2。

實驗結果：

①4s內，溶解氧含量由0上升至2.32mg/L；

②420s內，氣液相密封實驗器內CO₂含量下降104ppm。

分析結果：直觀展示了植物的光合作用需要消耗CO₂，并釋放出O₂

設計意圖：利用校園中學生熟悉的美景導入本節課，培養學生熱愛學校、善于用生命觀念認識生命世界、解釋生命現象，由此開展本節教學內容一光合作用。利用傳感器演示實驗，通過計算機顯示數據動態變化，直觀顯示植物光合作用消耗CO₂，釋放O₂，開拓學生視野，培養學生學習生物學科的興趣。通過情景導入，演示實驗，明確本節課的教學任務，探究光合作用過程和影響光合作用強度的環境因素。

第二階段：研讀學材→引導探究→對話共構。

研讀學材：教師提供學習材料，學生自主學習研讀。學生觀察圖3，思考下列問題：①類囊體薄膜上的葉綠素吸收光能會丟失電子，可以從哪種物質中奪得電子？該物質失去電子后產物是什么？

②光解作用產生的H⁺被泵入類囊體腔內，在類囊體膜兩側形成跨膜濃度梯度，可以用來驅動什么物質合成？

③沿著電子載體傳遞的電子最終傳遞給“誰”？該物質得到電子后轉變為哪種物質？

教師提供材料：卡爾文與其同事利用在伯克利剛發現的¹⁴C首次探明光合作用中的碳固定途徑，并于1961年獲得諾貝爾化學獎。實驗材料為小球藻。實驗方法是同位素標記法。實驗過程：用¹⁴C標記的¹⁴CO₂，供小球藻進行光合作用，每隔一段時間取樣，并立即殺死，然后將光合產物分開，鑒定被14C0s標記的產物。實驗現象：0.5s后收集小球藻，分離鑒定出¹⁴C標記物為一種三碳化合物，用C₃表示；5s后收集小球藻，分離鑒定出¹⁴C標記物，除上述C₃外，還有一種六碳糖，用（CH₂O）表示。

教師提出問題：為什么每次取樣后要立即殺死小球藻？在暗反應中CO₂經歷怎樣的反應歷程呢？

引導探究：在學生觀察圖形的基礎上，教師引導學生探究光反應過程中物質變化和能量變化。學生閱讀材料，明確“C在葉綠體基質中轉移路徑是“¹⁴CO₂-¹⁴C₃-（¹⁴CH₂O）”。教師進一步引導學生：產生14C3的時候必然有一個¹⁴CO₂受體存在。科學家發現C₂和C₅都有可能是¹⁴CO₂受體。各學習小組思考、討論。學生通過交流討論，最終達成共識：在COs濃度快速上升的一瞬間，分別檢測C₂和C₅含量的變化，含量降低的是受體。教師明確CO₂固定的受體是C₅。然后，教師繼續追問：消耗的受體是如何生成的？從而引導學生建構出C₃被還原為有機物的同時生成C₅。

對話共構：教師要求每個小組的學生相互交流合作，在白板上畫出光合作用場所、條件、具體過程。各學習小組分組展示成果，教師給予點評，引導學生完善光合作用的過程圖，并總結光反應和暗反應之間的聯系。

設計意圖：教師通過統整和重構教材中的內容，變知識的直接呈現為合作探究，引導學生在合作探究的學習方式中不斷地還原科學經典實驗，從而提高學生的邏輯思維能力和發散性思維能力，使學生的探究意識、理性思維得到充分發展。

第三階段：設計實驗一實驗探究一展示交流。

設計實驗：在第一階段教師演示實驗基礎上，學生設計實驗，探究光照強度、光質對光合作用的影響。學習小組交流討論，形成初步方案，教師協調引導，各組確定具體方案并實施。

實驗探究：本階段，各小組用CO₂傳感器實時測量氣液相密封實驗器中CO₂的濃度來反映陸生植物的光合作用強度。1～6組探究光照強度對光合作用強度的影響（通過改變氣液相密封實驗器與臺燈之間距離）；5～14組探究光質對光合作用強度的影響（在氣液相密封實驗器表面蒙上無色透明、紅色透明、綠色透明、藍色透明、黃色透明玻璃紙）。

展示交流：光合作用時間420s后，記錄實驗數據表1。

各個學習小組分析實驗數據，得出結論：在一定范圍內，隨著光照強度的增加，光合作用強度增加；白光光合作用效果好于藍光和紅光，其次是黃光，綠光效果最差。在農業生產中為了提高農作物的產量，建議使用無色透明的塑料薄膜。教師要引導學生找出異常數據，分析原因。

設計意圖：將枯燥的教師講授知識轉變為動手實驗探究未知，提高課堂學習的有效性和興趣性，在課堂教學中培養學生學科素養。

第四階段：拓展思維→實驗創新→總結反芻。

拓展思維：教師提出問題：實驗中為什么每個氣液相密封實驗器中放置10片大小、形態、幼嫩程度相似的綠蘿葉片？如何使每個氣液相密封實驗器中CO₂起始濃度相同？如何改變該實驗裝置，來探究CO₂濃度對光合作用強度的影響？實驗中對光照強度的控制可通過調節燈泡與氣液相密封實驗器的距離來實現，還可通過調節什么來實現？如何消除溫度對實驗的影響？

實驗創新：可以在氣液相密封實驗器中放入不同濃度的NaHCO₃溶液來探究CO₂濃度對光合作用強度的影響；對光照強度的控制可通過調節燈泡與氣液相密封實驗器的距離來實現，也可通過調節燈泡的亮度來實現；為了消除溫度對實驗的影響，可以采用LED冷光源燈泡或者在臺燈與密封實驗器之間加熱屏障或實驗過程中將自來水以一定速度灌至透明水槽（圖4）。

總結反芻：進行有關實驗和探究，學生學會控制自變量，觀察和檢測因變量，以及設置對照組和重復實驗，分析實驗過程中出現的異常數據。教師要引導學生分析異常的原因，以便改善實驗裝置。

設計意圖：科學思維滲透于科學探究過程的各個環節，在學生形成生命觀念、發展理性思維、進行科學探究的過程中，培養其社會責任意識，達到學以致用。

4教學反思

教師通過統整教材內容，提供科學史素材，讓學生主動構建光合作用過程，提高了課堂教學的實效性；實驗中使用傳感器，可以直接在計算機中獲得實驗數據，并通過添加圖表或折線圖等分析實驗結果，得出結論，十分直觀與簡便，簡化了以往課堂上繁瑣的講解、計算過程，既節約了時間又讓學生直觀易懂，同時培養了學生動手能力、分析數據能力、小組合作交流能力等，將生物學學科素養真正踐行在課堂教學中。