初中生物學(xué)六種教材中“光合作用”實(shí)驗(yàn)的比較

廖涌權(quán)

(海南省五指山中學(xué) 五指山 572299)

1 六個(gè)版本教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

六種教材都有設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生建構(gòu)“光合作用”的概念，但設(shè)置的具體實(shí)驗(yàn)有所差異，具體如表1。

表1 六種教材中“光合作用”實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

通過表1可知，蘇科版設(shè)置的實(shí)驗(yàn)數(shù)量最少，其中“光合作用的原料”這一內(nèi)容未設(shè)置實(shí)驗(yàn)，而北師大版教材設(shè)置的實(shí)驗(yàn)數(shù)量最多，相對完全。

六種教材都在“光合作用的條件和產(chǎn)物”這一內(nèi)容設(shè)置實(shí)驗(yàn)，雖然裝置略有差異，但其探究過程、方法基本一致。“光合作用需要二氧化碳”的實(shí)驗(yàn)，除蘇科版以STS閱讀材料“溫室里的‘氣肥’”呈現(xiàn)外，其他教材均設(shè)置相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。其中，蘇教版的處理是直接給出實(shí)驗(yàn)裝置圖、方法和結(jié)果，供學(xué)生討論。而“光合作用需要水作為原料”這一內(nèi)容難以在初中階段設(shè)置實(shí)驗(yàn)證明，各教材都未對這一內(nèi)容詳細(xì)提及；蘇教版和河北版則以資料的形式介紹了魯賓、卡門的實(shí)驗(yàn)過程。對于“光合作用的場所”，各教材均設(shè)置了“觀察葉片的結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)；但人教版、濟(jì)南版都在學(xué)習(xí)光合作用前的“蒸騰作用”一節(jié)安排此實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中未注重對葉綠體的觀察；蘇教版專門設(shè)置實(shí)驗(yàn)，觀察黑藻中的葉綠體；北師大版則通過“驗(yàn)證光合需要葉綠素”實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生推測“光合作用”的場所在葉綠體；蘇科版則通過對葉柄、葉片和莖，銀邊長春藤的綠色和白色部分的結(jié)構(gòu)比較，推測出“光合作用”的場所在葉綠體。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的比較及其改進(jìn)

2.1 綠葉在光下制造有機(jī)物 六種教材均設(shè)置本實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橥ㄟ^本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生明確光合作用的條件和產(chǎn)物。為幫助學(xué)生理解光合作用的實(shí)質(zhì)(即合成有機(jī)物，貯存能量)、構(gòu)建“光合作用”的概念提供事實(shí)性依據(jù)。此外，本實(shí)驗(yàn)可替代天竺葵的實(shí)驗(yàn)材料較多，需要的主要儀器(如三腳架、燒杯、酒精燈、培養(yǎng)皿、石棉網(wǎng)和鑷子等)和主要試劑(碘液、酒精等)都是實(shí)驗(yàn)室中較為常見的，各級各類學(xué)校大都具備開設(shè)本實(shí)驗(yàn)的條件。

六種教材均在實(shí)驗(yàn)步驟中以圖文結(jié)合的形式進(jìn)行描述，其步驟為： 暗處理→半葉遮光照射→酒精水浴加熱脫色→清水漂洗→滴加碘液并洗去浮色→觀察現(xiàn)象，給出的實(shí)驗(yàn)流程圖基本一致。

六種教材均設(shè)置實(shí)驗(yàn)討論環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生深刻理解各個(gè)步驟的目的。典型討論問題如下(表2)：

由表2可知，蘇科版對暗處理的目的未作討論，而是直接在步驟描述時(shí)告訴學(xué)生答案。而用黑紙片遮光的目的，蘇教版和蘇科版未作討論、也未作描述。如果教師在授課過程中不加入此類問題的討論，學(xué)生難以理解對照實(shí)驗(yàn)設(shè)置的緣由。對于“光合作用”的產(chǎn)物是什么，人教版和蘇科版都是直接設(shè)問。而其他四種教材則是通過引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析、推斷出“光合作用”的產(chǎn)物，問題具有一定的層次性，為學(xué)生提供了回答問題的思路。

表2 六種教材在“綠葉在光下制造有機(jī)物”實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的典型討論問題

蘇科版中設(shè)置的其他討論問題：“家里種植的花草如果長時(shí)間放在黑暗處會(huì)死去。小麥在子粒形成期間遇到陰雨天氣，就會(huì)造成減產(chǎn)。你能說出其中的原因呢嗎？”對于此類問題，需要學(xué)生充分理解“光合作用”的過程和實(shí)質(zhì)后才能回答，對學(xué)生的能力要求較高。

北師大版和河北版均設(shè)置關(guān)于酒精脫色的問題，但有所差異。河北版的問題為：“葉片放在酒精中加熱處理的目的是什么？為什么要水浴加熱？”，而北師大版的敘述為：“你怎樣解釋在酒精溶液中的綠葉脫色而使酒精溶液變綠的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？”對于兩種方式的提問，北師大版中的提問對學(xué)生理解為什么要進(jìn)行這一步驟的原因幫助不大，而河北版的提問則可讓學(xué)生明確設(shè)置此步驟的原因，并能起到一定的安全警示作用。

對于本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新建議主要有兩點(diǎn)： ①如果能在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，對光照后的銀邊天竺葵等植物葉片進(jìn)行脫色、滴加碘液的操作，能讓學(xué)生明確“光合作用”的條件除了光，還需要色素，并由此推測出綠色植物進(jìn)行光合作用的場所是在葉綠體；②六種教材普遍選用的實(shí)驗(yàn)材料是天竺葵，但天竺葵在海南并不常見。筆者曾嘗試用其他實(shí)驗(yàn)材料(黃花酢漿草[1]、蔓花生和地瓜葉)與天竺葵的實(shí)驗(yàn)效率進(jìn)行對比。發(fā)現(xiàn)如果換用黃花酢漿草、蔓花生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能明顯縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間(暗處理、半葉遮光后的照射和葉片脫色等)。在試劑使用量、實(shí)驗(yàn)效果方面也更具優(yōu)勢。而本地黃花酢漿草、蔓花生普遍易得，可以嘗試使用。

2.2 “光合作用”制造氧氣 通過此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠直觀感受光合作用產(chǎn)生了氧氣，并以此為佐證，構(gòu)建光合作用概念。本實(shí)驗(yàn)裝置簡單，需要的主要實(shí)驗(yàn)儀器(如試管、玻璃管、透明廣口瓶、導(dǎo)管、漏斗和燒杯等)和實(shí)驗(yàn)材料(如金魚藻、木條和衛(wèi)生香等)都是常見易得的，大多學(xué)校都具備條件開設(shè)此實(shí)驗(yàn)。因此，六種版本教材均設(shè)置此實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)步驟都是利用植物在光照下產(chǎn)生氧氣并收集氧氣→用帶火星的木條檢驗(yàn)→得出結(jié)論。其中，濟(jì)南版和蘇科版呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)裝置簡單、易于操作。

從表3可看出，人教版、蘇教版直接讓學(xué)生討論“光合作用”產(chǎn)生了什么氣體或嘗試說明上述現(xiàn)象的原因。北師大版、河北版和濟(jì)南版中設(shè)置的討論都是先提問觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再讓學(xué)生討論這種現(xiàn)象說明的問題，問題具有遞進(jìn)性和層次性，更有利于學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展開討論。而蘇科版未設(shè)置討論，與其將本實(shí)驗(yàn)放在資料庫中作為拓展實(shí)驗(yàn)有關(guān)。

表3 六種教材在“光合作用”產(chǎn)生氧氣實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的討論問題

教材推薦使用金魚藻作為實(shí)驗(yàn)材料，如果沒有金魚藻，首先想到選用黑藻等其他水植物替代。也可打破常規(guī)思維，嘗試使用陸生植物替代藻類完成實(shí)驗(yàn)。筆者曾參照北京國子監(jiān)中學(xué)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[2]，分別選用金魚藻、豌豆尖、水芹和茼蒿菜放置在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的碳酸氫鈉溶液中接受陽光照射2.5h，通過排水集氣法測得氧氣的產(chǎn)生情況，發(fā)現(xiàn)豌豆尖是最理想的替代材料，水芹次之。此外，將清水換成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～2%的碳酸氫鈉溶液，能夠在較長時(shí)間保持較高的氧氣產(chǎn)出率。

2.3 光合作用需要二氧化碳 六種教材中，只有蘇科版未設(shè)置此實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生難以直觀獲取光合作用需要利用二氧化碳這一事實(shí)。人教版則提供相應(yīng)的資料信息，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。其余四個(gè)版本教材均提供實(shí)驗(yàn)裝置圖示供學(xué)生參考。

人教版、北師大版、河北版和蘇教版開展本實(shí)驗(yàn)的原理都是利用氫氧化鈉溶液吸收密閉裝置中的二氧化碳作為實(shí)驗(yàn)組，放置清水的密閉裝置作為對照組。實(shí)驗(yàn)裝置相對簡單，但需要對葉片進(jìn)行脫色處理和滴加碘液的操作。而濟(jì)南版則是利用二氧化碳傳感器、氣液相多功能采集裝置、數(shù)據(jù)傳感器等監(jiān)控密閉容器中的二氧化碳濃度變化，并連接計(jì)算機(jī)用相應(yīng)軟件記錄裝置內(nèi)的二氧化碳濃度變化。它能夠定量記錄裝置中的二氧化碳濃度變化，并以坐標(biāo)圖的形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更加直觀、精確；也不需要進(jìn)行葉片脫色和滴加碘液的操作，簡化實(shí)驗(yàn)步驟。但是，該方法對儀器設(shè)備和教師的計(jì)算機(jī)運(yùn)用技能要求較高，大多數(shù)農(nóng)村學(xué)校不具備開展此實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和技術(shù)條件。

河北版習(xí)題中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)裝置除了保留蘇教版實(shí)驗(yàn)裝置僅需一棵植株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)外，還避免了錐形瓶和鐵架臺(tái)的架設(shè)，使實(shí)驗(yàn)操作更加簡單易行。

2.4 觀察葉片的結(jié)構(gòu) 北師大版、蘇教版和河北版將此實(shí)驗(yàn)放在光合作用相關(guān)章節(jié)，通過對葉片結(jié)構(gòu)(葉綠體)的觀察，一方面可讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到葉片之所以是大多數(shù)綠色植物進(jìn)行“光合作用”的主要器官，是因?yàn)槠淙~肉細(xì)胞中含有大量葉綠體，葉綠體是綠色植物光合作用的場所；另一方面學(xué)生可觀察到氣孔，在教師引導(dǎo)下對氣孔與二氧化碳的獲取和氧氣釋放有更為清晰的認(rèn)識(shí)，為“光合作用”概念的建構(gòu)提供事實(shí)性依據(jù)。

人教版和濟(jì)南版將此實(shí)驗(yàn)放在“蒸騰作用”一節(jié)，著重強(qiáng)調(diào)葉片的結(jié)構(gòu)和氣孔在蒸騰作用中的作用；而蘇科版則把此實(shí)驗(yàn)放在七年級下冊第9章“生物體有相似的結(jié)構(gòu)層次”中，著重強(qiáng)調(diào)構(gòu)成葉片的不同形態(tài)細(xì)胞形成的組織。這三個(gè)版本教材在此實(shí)驗(yàn)中都未注重對葉綠體的觀察，也未注重氣孔功能與光合作用的聯(lián)系。但蘇科版設(shè)置了觀察葉綠體的實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了這一不足。

多種教材在實(shí)驗(yàn)材料的選用上都只是提到新鮮葉片，未提及具體的葉片種類。人教版推薦使用的是蠶豆或菠菜葉片，但蠶豆在南方地區(qū)種植很少，所以實(shí)驗(yàn)一般選用菠菜葉做葉橫切。但菠菜葉容易失水萎蔫，葉子卷曲，不便于切取。若用水將菠菜泡起來，葉子脆變，導(dǎo)致切片上(下)表皮容易缺失。通過選用多種葉片實(shí)驗(yàn)(雙刀夾切法)發(fā)現(xiàn)，綠蘿葉片做葉橫切片效果最佳。而切片的制取方法除了蘇科版提供的是單刀片法外，其他五個(gè)版本教材均選用的是雙刀夾切法。雙刀夾切法對于初學(xué)者來說，操作方法更為容易掌握，安全系數(shù)也更高。

2.5 光合作用需要葉綠素 學(xué)生通過開展此實(shí)驗(yàn)，可以驗(yàn)證“光合作用”進(jìn)行需要葉綠素，并推測出“光合作用”的場所在葉綠體。北師大版選用銀邊翠、銀邊天竺葵、彩葉草等斑葉植物作為實(shí)驗(yàn)材料，蘇科版則利用銀邊天竺葵、銀邊長春藤、青菜(分別選取根、莖、葉片和葉柄)作為實(shí)驗(yàn)材料。其實(shí)驗(yàn)流程均為先光照，再脫色滴加碘液，觀察綠色部位與非綠色部位的現(xiàn)象。通過此現(xiàn)象的觀察，更有利于學(xué)生對“光合作用”條件的理解。

2.6 觀察葉綠體 只有蘇教版設(shè)置了此實(shí)驗(yàn)，目的是為了讓學(xué)生通過親身體驗(yàn)，加深對“光合作用”場所的認(rèn)識(shí)。其他教材鑒于已設(shè)置觀察葉片結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，就沒有設(shè)置此實(shí)驗(yàn)的必要了。

3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

目前，較少的生物學(xué)課時(shí)無法保證以上實(shí)驗(yàn)全部開出。因此，可通過整合、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，達(dá)成多級探究目標(biāo)就能解決這一矛盾。通過比較研究發(fā)現(xiàn)，如果在驗(yàn)證“綠葉在光下制造有機(jī)物”實(shí)驗(yàn)中，使用銀邊常春藤或銀邊天竺葵等斑葉植物替代天竺葵，除了能夠驗(yàn)證綠葉在光下制造淀粉，探究光是綠色植物“光合作用”的必要條件外，還能拓展延伸實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，驗(yàn)證綠色植物進(jìn)行“光合作用”需要的另一必要條件——光合色素，并由此推測出“光合作用”的場所是葉綠體。

在使用廢棄的礦泉水瓶作為反應(yīng)裝置驗(yàn)證“光合作用制造氧氣”的實(shí)驗(yàn)中，往溶液中滴加BTB(溴麝香草酚藍(lán))，在驗(yàn)證“光合作用”產(chǎn)生氧氣的同時(shí)，還能根據(jù)光照后溶液顏色的變化驗(yàn)證光合作用需要二氧化碳作為原料(圖略)，以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)現(xiàn)多級探究目標(biāo)的達(dá)成。

學(xué)生只需通過以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)即可獲得大量關(guān)于“光合作用”的原料、產(chǎn)物和條件等事實(shí)性知識(shí)，再結(jié)合“光合作用”科學(xué)史、光合作用原理在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用的介紹，即可生成“光合作用”這一重要概念。