聚焦實驗教學、發展科學思維
——以光合作用第一課時為例

胡海明 葉惠良

（浙江省寧波市第二中學 浙江寧波 315010）

1 設計思想

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。科學思維是生物學核心素養“能力”因素的關鍵部分，是科學探究的基礎，需要在科學探究中磨礪。科學探究是生物學作為科學的重要特征，是概念形成的途徑，也就自然成為觀念建立的途徑。下面以光合作用第一課時為例，通過以實驗探究活動為特點的主動學習，來提高學生的科學思維和科學探究素養。

2 背景分析

2.1 教材分析

“光合作用”是浙科版高中生物必修一第三章第五節的知識點，既是對前面學過的知識如細胞器、吸能反應和放能反應、能量通貨ATP等知識的復習鞏固，又是學習必修三生態系統中生產量、物質循環、能量流動以及選修三生態農業等知識的基礎。

教材從光合作用概述、光反應、碳反應以及環境因素影響光合速率4個角度闡述這一重要內容。本節課將光合作用概述中的葉綠體結構、光合色素的提取和分離、光合色素的功能等知識串聯，不斷滲透“結構和功能相適應”的生命觀念、提升科學探究能力和科學思維品質。

2.2 學情分析

學生在初中科學課上已經學習過光合作用的有關知識，知道了光合作用的場所、葉綠素和反應式；學習“細胞質”后，對葉綠體的亞顯微結構有初步了解，知道光合作用是合成ATP的重要途徑之一。學生具備進一步學習葉綠體亞顯微結構和光合作用原理的知識基礎和興趣。由于浙江省新課改，不同學校開設生物學的年級不同，高一學生雖能進行研磨、過濾等操作，但紙層析法是首次進行，需要教師詳細指導，而高二學生的情況會有明顯改善。

2.3 重點、難點

教學重點是光合色素的種類和作用，難點是光合色素的提取與分離、光合色素的作用。

3 教學目標

（1）通過觀察光合作用實驗和葉綠體結構模式圖，能根據結構和功能相適應的觀點，說出光合作用的概念、葉綠體的結構特點與光合作用的聯系，認同光合作用的獨特性和復雜性。

（2）通過對“光合色素的提取和分離”實驗結果的分析和實驗現象的交流討論，理解各試劑在實驗中的作用以及對實驗結果的影響，提高思考和解決問題的能力。

（3）能夠根據提供的材料新鮮菠菜、激光筆、分光光度計等，設計簡單的實驗探究光合色素對單色光的吸收情況。

（4）能夠根據光合色素對單色光的吸收情況為農業生產提出有價值的建議。

4 教學過程

4.1 課前準備

每名學生獨立觀看“光合色素的提取和分離”視頻，完成“光合色素的提取和分離”預習任務單。學生每4人自由成立學習小組，自主確定組長，以實現課堂小組合作完成探究、交流評價的意圖。興趣小組學生完成“黑藻光合色素的提取”實驗，在400～700 nm波長范圍內，每隔30 nm測量色素提取液對不同波長光的吸收情況，并繪制出吸收光譜圖。興趣小組所繪制的色素提取液的吸收光譜圖供全體學生在課堂學習中使用，為其他同學提供真實的數據，以創造一個構建數學模型的學習情景。

4.2 教學方法

采用“任務—探究—交流”相結合的教學方法，以學生操作、展示、交流評價為主，突出學生的“學”。

4.3 課堂實錄

4.3.1 新課導入——情景實驗

教師提供光合作用實驗材料及裝置——1 000 w聚光燈、燒杯、黑藻、質量分數為5%的NaHCO3溶液，要求學生仔細觀察，描述實驗現象，并從場所、條件、原料和產物4個角度對光合作用下定義。

學生觀看實驗現象并根據觀察到的現象，嘗試說出光合作用的概念。大部分學生能根據光合作用的場所、條件、原料和產物，說出光合作用的概念。

設計意圖:學生對光合作用的了解比較抽象，一般現實生活中很難直接觀察到這一現象。黑藻屬于沉水植物，葉片表皮沒有氣孔，但有發達的通氣組織，葉肉細胞光合作用產生的氧氣會聚集至通氣組織處。將莖折斷后置于NaHCO3溶液中，并給予光照，一段時間后，可明顯觀察到氣泡冒出。本實驗可使學生獲得對光合作用的直觀感受。然后，教師再引導學生從科學角度對光合作用下定義，激發學生求知欲，引入主題。

4.3.2 任務一:探究葉綠體進行光合作用的結構基礎

教師提出問題:葉綠體的哪些結構特征有利于其進行光合作用？

學生自主學習教材P86，獨立思考并回答。然后，再通過小組間補充評價得出:

①葉綠體內膜和外膜透明，有利于光的穿透；

②類囊體堆疊形成基粒，增加了葉綠體內膜的面積；

③基粒中含有的葉綠素可以吸收太陽光。

葉綠體的這些結構特點有利于其進行光合作用。

設計意圖:由于教材文字和插圖對于這一知識點有詳細介紹，因此教師通過設計問題，讓學生帶著問題閱讀相應內容即可獲得所需知識，同時培養了學生自主學習、獲取并加工信息能力。

4.3.3 任務二:完成“探究葉綠體中光合色素的種類”活動

教師提出問題:葉綠體中的光合色素是否只有葉綠素？

4名學生組成一個學習小組。首先，每兩名學生合作完成一組光合色素的提取和分離活動。然后，4名學生匯總實驗現象，討論并分析實驗結果，歸納出實驗結論，并思考實驗成功的關鍵步驟及原因。接著，各小組課堂展示交流（小組合作說明:組長統籌分工，組員完成相應任務，記錄員用文字或圖形記錄結果，發言人進行匯報交流）。

實驗結果顯示大部分學生的濾紙條上能觀察到4條不是很整齊的色素帶。小組間補充完善得出實驗成功的關鍵之處:

①畫濾液細線時確保細且直，使色素擴散均勻；

②濾液細線干后再畫，確保濾液細線較細，使色素跑得更加整齊，重復畫2～3次，使濾液細線上的色素多一些，分離后的色素帶更加清晰；

③濾液細線高于層析液液面，否則色素溶解到層析液中，將得不到清晰的色素帶；

④研磨時加入少量SiO2使研磨更充分，便于色素完全釋放；

⑤加入少量CaCO3，可以中和細胞內的有機酸，防止有機酸破壞葉綠素；

⑥研磨要迅速充分，葉綠素不穩定，易被破壞，時間過長或研磨不充分都會導致色素的量太少而使實驗失敗；

⑦制備濾紙條時，要剪去兩角，這樣可以減小邊緣效應，使色素在濾紙上擴散均勻；

⑧收集濾液后，要及時用棉塞將試管口塞緊，防止濾液揮發。

設計意圖:以菠菜葉中光合色素的提取和分離實驗為情境，學生自己動手提取和分離光合色素，然后展示實驗結果并進行相互評價，提高了動手能力、實驗結果的交流評價與討論能力。同時，設計實驗成功的關鍵步驟等問題引導學生對整個過程進行反思，讓學生理解每一步驟的目的，培養了學生的科學思維。

4.3.4 任務三:設計實驗探究光合色素對單色光的吸收情況

教師提出問題:色素對不同單色光的吸收情況是否相同？

學生根據新鮮菠菜葉片，利用單色光激光筆（模擬紅光、藍光和綠光）等設計實驗，探究光合色素對單色光的吸收情況。其中，有四組提出的實驗方案相同，即用激光筆照射菠菜色素提取液，用體積分數為95%的乙醇溶液作對照。實驗結果是綠光能穿透、紅光和藍光無法穿透。兩組提出用不同激光直接照射菠菜葉片，觀察激光穿透情況。實驗結果顯示三種激光都能穿透一片菠菜葉。各小組交流后一致認為與色素含量有關，于是改進實驗，增加葉片數量。實驗結果顯示，當增加到4片菠菜葉時，紅光和藍光均無法穿透，綠光仍然能穿透。有學生提出，用激光直接照射菠菜葉片的說服力不夠強，因為菠菜葉片中除了色素，還有其他物質會干擾。其他學生一致認可第一種方案。

設計意圖:教師提供實驗材料，學習小組討論、設計并實施實驗方案，培養了創造性思維。通過小組間相互評價、質疑實驗方案，培養學生的交流、評價能力以及嚴謹的思維習慣。

4.3.5 任務四:興趣小組實驗結果在課堂展示

學生代表匯報實驗內容，教師對學生再交流過程中提出的困惑給予幫助。

各小組派代表匯報實驗過程:

①取0.5 g黑藻葉片浸入10 mL體積分數為95%的乙醇溶液，浸泡48 h；取上清液稀釋后用于測定對不同波長光的吸收情況，體積分數為95%的乙醇溶液作對照。

②在波長400～700 nm范圍內，每隔30 nm測色素的光吸收值。

③記錄實驗結果，對所得數據進行統計分析。

實驗結果見表1和圖1。各小組與興趣小組學生交流。有學生提出:為什么黑藻色素提取液對不同波長光的吸收結果與教材圖3-20葉綠素a的吸收光譜不一致？學生交流討論后，認為:黑藻色素提取液中不只含葉綠素a，本實驗結果是所有色素對不同波長光的吸收情況。

設計意圖:任務三是光合色素對不同單色光吸收的定性研究，高中學生更應該學會進行定量研究。由于時間限制，讓全體學生全程參與并不現實，因此通過組建興趣小組來完成這一實驗。興趣小組學生在課前借助分光光度計等實驗設備探究光合色素對不同波長單色光吸收的定量研究，課堂上分享實驗過程和實驗結果，并構建出數學模型用于課堂展示和交流，以實現全體學生體驗真實探究過程。

表1 黑藻色素提取液對不同波長光吸收情況的記錄表

圖1 黑藻色素提取液的吸收光譜

4.4 課后拓展

教師圍繞葉綠體中光合色素的種類和功能這一核心內容，建構知識體系，組織學生對如何提高生產實踐中的光合效率提出有價值的建議。

5 教學反思

5.1 重視科學探究

在今天的教育背景下，生物學教師無論在課堂上還是實驗操作中，都要不斷培養學生的質疑提問能力。由于科學探究的要素之一就是提出問題，不斷將問題作為探究的出發點，因此本節課采用“任務—實踐—討論”相結合的教學方法，并通過多種形式的實驗探究如光合色素的種類采取分組實驗、光合色素的功能采取演示實驗等以不斷培養學生的動手能力。在探究活動過程中，教師要重視學生間的交流與合作，盡量安排足夠的時間讓學生對各種想法、觀點進行充分的交流和討論，充分調動學生的學習欲望，不能為了趕進度而在學生還沒進行足夠的思考時草率地下結論。

5.2 注重科學思維

生物學是以實驗為基礎的科學。學生親歷實驗是教學的重要內容。本節課將葉綠體結構等內容與光合色素的種類和功能等實驗結合起來，使實驗成為“教”的手段，也成為學習、認識科學方法的手段。學生通過實驗，充分體會控制變量（如光合色素的功能中的自變量、因變量、無關變量以及對照實驗）等科學實驗方法，結合數學建模（黑藻色素吸收光譜曲線），培養敢于質疑、創新、猜想的科學精神，為以后的創新發展打下堅實的基礎。

教師讓學生自我設計實驗探究光合色素對不同單色光的吸收情況，然后根據教師所提供的材料進行演示，讓學生在手腦并用的活動中迸發出創造的火花，提高學生的發散思維和創新設計能力，實現科學思維的培養。