“探究CO₂濃度對光合作用強度的影響”教學設計及實施

摘?要：在核心素養的理念下，設計并實施了《探究CO2濃度對光合作用強度的影響》一課，旨在探究理念落地的途徑和方法，突破教學難點.

關鍵詞：實驗設計;小組合作;光合作用

基金項目：韶關市級課題“高中生物分層教學研究”（項目編號：sgjky14008）.

作者簡介：郭衛華（1983-），男，江西吉安人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學生物學實驗教學.

1?教材分析與設計思路

光合作用是人教版高中生物《必修1·分子與細胞》的重難點，也是歷年高考中的高頻考點（近三年全國Ⅰ卷理綜第30題）.CO2濃度又是影響光合作用強度的重要環境因素，因此，讓學生設計并完成此實驗不僅可以更好突破“CO2濃度對光合作用強度的影響”這一難點，還可以培養學生的小組協作能力，真正開展以學生為中心的多樣化、多層次教學.

2?教學目標

2.1?知識目標

（1）應用實驗設計的基本原則.

（2）解釋CO2濃度等環境因素對光合作用強度的影響.

2.2?能力目標

學生學會設計實驗、實施、分析實驗數據及繪圖的能力.

2.3?情感態度價值觀

（1）通過小組合作的方式，學會學習并解決問題，并在合作與交流中分享解決問題的愉悅.

（2）體會科學精神并大膽的進行實踐創新.

3?教學過程

3.1?課上學生活動：找茬并評價

從課前學生自行設計的實驗方案中選取部分學生的實驗方案并投影出來，找出該實驗設計不合理的地方.

學生1方案評價：①各組的葉片數不相同，違背等量原則.②只說明光照時間相同，未闡明光的強度是否一樣，易讓人誤以為有二氧化碳和光照強弱兩個變量，不符合單一變量原則.

學生2方案評價：?CO2量不具體，用嘴吹氣口大口小不好把握，也未提到重復實驗.

根據學生課前自行設計的實驗方案，查閱相關文獻并結合我校實驗室的情況，教師與學生一同商討并確定本節實驗課的實驗方案.

3.2?實驗方案

實驗原理：自然狀態下的葉片是浮于水面的，如果抽出葉片內的氣體，葉片會沉入水底.葉片進行光合作用產生的氧氣將使沉于水底的葉片上浮.觀察并記錄同一時間內葉片上浮數.

3.2.1?分組及每組具體分工：

分組：每5個同學為一小組，全班一共10個小組，即有10個重復.

具體分工：一個負責整理疊葉片、一個負責打孔、一個負責抽氣、一個負責裝NaHCO3溶液、一個負責觀察并記錄.

3.2.2?主要材料用具：直徑1cm的打孔器、注射器、燈光（每張實驗臺上均有4盞13W的節能燈）、不同質量分數的NaHCO3溶液、燒杯、玻璃棒、量筒、黑色袋子、菠菜等.

3.2.3?實驗注意事項：①打孔時盡量避開大葉脈.②抽氣要盡，確保各燒杯沉入的都是10片.③當抽氣完成后，把葉片放入一個燒杯，做好避光處理.④觀察并記錄3min、5min、7min三個時間內葉片上浮數.

3.3?小組合作完成實驗，分析結果并得出結論

3.3.1?對實驗結果的分析：

對3、8、9、10共4個組的數據進行分析，由各自組的學生成員回答：

第3組：0.5%NaHCO3組與1%NaHCO3組相差1片，可以說是誤差;第8、9小組：個別數據出乎意料，原因可能是雖然都是13W的節能燈，有些節能燈用的時間較長，有些是新換上的，所以，發出來的光的強度不同.即使都是新換上的，個別燈之間也很難保證發出來的光的強度一樣，從物理學角度說，雖然最大功率相同，但額定功率也可能不同[1];

第10組：3個燒杯沒有一片葉片上浮，可能的原因是抽氣時抽得太猛，破壞了葉片中葉肉細胞及其結構，導致無法進行光合作用，所以，葉片不上浮.

3.3.2?結論：

將10個小組的數據當場輸入并計算出每組NaHCO3濃度下上浮葉片的平均值（詳見表4），盡管小組與小組之間有些差異，但還是體現出了一定的規律.

根據實驗結果學生總結出結論：光合作用強度隨CO2濃度的增加而加強[2].

老師提問：這位同學回答是否準確？

教師根據學生的回答進行補充：請加上一句“一定范圍內”，為什么？

學生回答：光合作用存在CO2飽合點，當到達CO2飽和點時，光合作用強度不會隨CO2的增加再加強（2017年全國Ⅰ卷第30題也曾考過），而且光合作用除受外界因素影響外，還受葉片本身（色素、酶）等影響.

3.3.3?問題升華

問題1：為何放入燒杯的都要10片，體現了實驗設計的什么原則.如何確保每個燒杯中都是10片沉入水底？

答：體現了實驗設計的等量原則和平行重復性原則.每個燒杯10片就是等于做了10個重復，這樣做目的是防止偶然情況對實驗的影響，保證實驗結果可靠性.為確保10片都沉入水底，可一次多抽氣幾片，未沉水的葉片去掉不用，最后，保證每個燒杯中都是10片即可.

問題2：因每小組都有3個NaHCO3濃度的燒杯，當抽氣完一個燒杯時是否需要將燒杯避光，這樣做的目的？

答：需要避光，排除燒杯未實驗就受到光照的影響.等其它兩個也抽氣完一同進行光照，確保不同燒杯的光照時間都相同.

問題3：該實驗是否遵循了對照原則？葉片沒上浮可能的原因？

答：遵循了相互對照原則.葉片沒上浮可能的原因：①抽氣太久葉肉細胞已破壞，無法再進行光合作用;②NaHCO3溶液濃度過高，細胞的失水過多導致的氣孔關閉，光合作用太弱等.

3.3.4?學生課后能力拓展：根據學生記錄了3min、5min、7min三個時間內葉片上浮數，畫出各組不同時間內葉片上浮數，培養學生動手繪圖能力.

4?教學體會

本節課的設計以新課程標準（2017年版）理念為指導，開展以學生為中心的多樣化分層次教學.在課前先讓學生動腦自行設計實驗方案;教學中展示學生的作品，先肯定了學生的實驗設計工作，后讓其它同學也參與實驗方案的修改，進而學生以小組合作探究的方式完成實驗，讓學生積極參與，真正的體現了學生的主體性.實驗結束后學生當場輸入實驗數據并在投影上呈現，這讓學生感受到自己的勞動成果當場被老師肯定.最后，學生對實驗數據進行分析，既培養了分析實驗數據的能力，又讓學生滿懷科學精神進行大膽的實踐創新.學生在合作與交流中，通過主動探究來體驗實驗結論產生的過程，分享到了解決問題后的愉悅，也讓他們真正地學會學習.

影響該實驗的因素太多，如葉片的選擇與打孔，抽氣的力度和來回的重復數，甚至氣溫、水溫等等，盡管一直在盡力控制無關變量，但畢竟是人做實驗而非機器，所以，組與組之間有的差異比較明顯，但整體的規律是一致的（一定范圍內，光合作用強度隨CO2濃度的增加而加強）.為保證實驗結果的可靠性，設置了10組重復.此實驗當時天氣為小雨，氣溫12℃～16℃，材料為菠菜葉，因此，實驗的數據僅供參考.

通過此實驗發現，并不是NaHCO3溶液的濃度越高越好[3]，從（1、3、5、6）這四組實驗數據也發現了0.5%NaHCO3溶液與1%NaHCO3溶液在到達7分鐘時差異不明顯.通過實驗還發現，當NaHCO3溶液的濃度太高時，同樣的打孔和抽氣操作，在0.25%NaHCO3溶液與0.5%NaHCO3溶液中的葉片能沉入水底，但在NaHCO3溶液濃度太高時，不一定能沉入水底，或許這與化學上物質的量濃度（物理學上的密度）有關.此外，如果外界NaHCO3溶液濃度過高，即使發生光合作用也不一定很強，這應該與細胞的失水過多導致的氣孔關閉有關，更詳細原因可待進一步深究.

參考文獻：

[1]郭衛華.探究光照強弱對光合作用的影響[J].中學生物學，2015，31（09）：41-42.

[2]王忠等.植物生理學[M].北京：中國農業出版社，2000：174-175.

[3]管紹榮.溶液中NaHCO3對光合作用的影響[J].生物學教學，2005，30（07）：45.

（收稿日期：2019-08-28）