光合作用的認識過程

在現代教育理念中，傳授知識已不能成為教育的唯一目的，現代教育更應該關注在傳授科學知識的過程中如何促進學生掌握科學的研究方法。學生對科學方法的掌握僅靠模仿和記憶遠遠不夠，科學思維形成的關鍵在于對科學方法進行實踐。筆者所在學校校基于光合作用發現史的校本活動采用半開放的課堂，讓學生在模擬科學家的實驗設計的基礎上完成光合作用的幾個探究性實驗，從而更好地理解科學實驗設計思路。這些實驗探究活動擴大了學生體驗科學方法的范圍，幫助學生更好地理解科學的本質。具體的教學研究嘗試如下。

1、活動的提出

“光合作用的認識過程”是高中生物新課程《分子與細胞》模塊的重點和難點內容，也是開展探究性活動的基本素材之一。大多數教師對這一內容的處理以講授為主，從海爾蒙特、普里斯特利、英格豪斯、薩克斯到恩格爾曼、魯賓卡門，再到卡爾文，所涉及的科學家與實驗內容較多，受課時影響，教師對科學發現過程和科學方法的介紹往往比較簡單，學生很難對科學家開展具體工作時的思維過程和實驗方法進行深入的思考。從實際的教學效果看，難以激發學生參與科學史探究的熱情。在高中生物教學中，教師應如何突破課時的制約，讓學生真正領悟生命科學史經典實驗的科學方法呢？

筆者將“光合作用的認識過程”中的某些經典實驗通過校本模擬實驗，讓學生走向實驗室，在親歷性的實踐活動中理解光合作用的概念和過程，領悟經典實驗的科學方法和科學精神。

該活動的學習目標是：通過科學史實認識實驗對生物學發展的推動作用；掌握經典實驗設計中的科學方法；學會評述光合作用的認識過程并概述光合作用的實質和意義。

2、活動的設計

2.1 綠色植物光合作用釋放氧氣

模擬英格豪斯的實驗看似簡單，學生根據如圖1所示裝置用排水法收集水藻在光下產生的氣體是卻遇上了許多問題，例如：怎樣安裝收集氣體的裝置？為什么水藻的葉片上明明有氣泡產生，試管里的水卻排不出去？排水法收集到氣體的試管怎樣取出才能避免氧氣溢出？體驗多次的失敗后，活動小組決定對收集氣體裝置可做適當的改進，選擇漏斗口直徑為80 mm的漏斗，將漏斗頸切割至2～3 cm，置于500 mL的燒杯中，適當減少水藻的數量以避免水藻堵塞漏斗口。這些細節的改進大大提高了裝置安裝的成功率。

模擬實驗只需用帶火星的木條檢測收集到的氣體是氧氣即可。

高中生如何在此基礎上進行更多探究，活動小組注意到一定時間內通過排水法所收集到的氣體量，即氧氣的釋放量可作為反映光合作用強度很重要的指標，操作定義為4 h內試管所收集的氧氣的體積，以距試管底部的長度表示。由此設計了一系列的對照實驗：比較黑藻與金魚藻光合作用強度的差異、溶液中NaHCO₃濃度對黑藻光合作用的影響、不同光照條件對黑藻光合作用的影響等。表1為不同濃度NaHCO₄培養條件下的黑藻氧氣釋放量的記錄表格。

該模擬活動通過改進實驗裝置，降低了操作技能的要求，使大多數學生均能很好地收集到光合作用產生的氣體，并將此作為檢測光合作用強度的因變量運用到其他的探究實驗中。學生通過實驗認識到選擇葉表面積較大的黑藻，加入質量分數為O.8%的碳酸氫鈉溶液，增強光照強度均能促進植物的光合作用。

2.2 綠葉在光下合成淀粉

該活動模擬薩克斯的實驗，教材推薦的是天竺葵，由于天竺葵不易得到，活動小組選擇南方常見葉片較薄的旱金蓮作為實驗的材料。將旱金蓮放到黑暗條件下處理一晝夜后，取其中若干葉片，采取圖2的處理，曝光6 h后檢測曝光部分與遮光部分是否有淀粉生成。實際檢測的結果多與預測不同，這或許與對植株的黑暗與光照處理時間長短有關，可是大多數活動小組發現無論如何調整黑暗與光照的時間，旱金蓮同一葉片的遮光與曝光部分都有淀粉（這可能與旱金蓮淀粉運輸速度較快有關）。那么，應該如何設置對照實驗呢？

既然同一葉片的遮光與曝光部分構成一組對照實驗，能不能在同一植株選擇遮光葉片和曝光葉片進行實驗對照呢？活動小組將旱金蓮植株放到黑暗條件下處理一晝夜后，將部分葉片用黑紙片兩面遮蓋起來，對植株曝光6 h，然后將曝光和遮光的葉片同時摘下，將遮光的葉片去掉一半（以區別照光的葉片）。把兩組葉片放入盛有酒精的小燒杯里，隔水加熱以溶解葉片中的色素，清水漂洗后放到培養皿里。滴加碘液可以觀察到曝光組葉片呈藍色，遮光組未見藍色，這說明光合作用的產物除了氧氣還有淀粉。

改用旱金蓮進行實驗可能產生的誤差，可以通過采摘生長狀況相同的同一部位相似葉齡的葉片進行實驗來減少誤差。

通過這個實驗的多次嘗試，學生對實驗設計中控制無關變量的方法有了切身的體會，從而進一步認識到薩克斯采用天竺葵的同一葉片進行對照實驗的巧妙，并能將該方法很好地遷移到利用同一植株的不同葉片進行實驗對照，提高了實驗設計和實驗分析的能力。

2.3 合成淀粉的場所是細胞的葉綠體

該實驗常規的做法是利用銀邊天竺葵中天然白色部分與綠色部分進行對比，說明只有含葉綠體的綠色部分能合成淀粉。這是一個基于推測的簡單判斷，能否利用顯微鏡真實地感受葉綠體是合成淀粉的產所呢？

由于旱金蓮葉片較薄，可直接剪取少量葉片，在高倍鏡下觀察葉表皮中保衛細胞的葉綠體。取活動

2.2 中檢測到淀粉的曝光組葉片制成臨時裝片觀察葉表皮中保衛細胞的葉綠體，可以清楚地看到被染成藍色的葉綠體，而遮光組的葉表皮中細胞未見明顯藍色的葉綠體。

也有部分學生在遮光組的葉表皮細胞中看到了被染成藍色的葉綠體，通過分析，學生再次認識到對植株的黑暗處理時間可能影響到實驗的結果，并且黑暗處理時間與植株的種類與大小都有一定的關系。該活動也讓學生體驗了“眼見為實”的微觀世界，對生物學知識的認識不再局限于記憶與背誦。

2.4 探究光照強度對光合作用的影響

本實驗傳統的方法是葉片打孔抽氣法，通過調節臺燈與葉片之間的距離或臺燈的瓦數，觀察葉片上浮所需的時間，傳統實驗課堂耗時較多，誤差不容易控制。

本活動采用光合作用測定儀器——U-6400便攜式光合儀對葉片的光合作用進行測定，可以根據一定時間內葉室內C02的變化以及氣體流速、溫度、大氣壓等環境參數來計算光合作用的速率，光合儀能敏感記錄進出葉室的C02濃度的變化，每3 min記錄一次，在短短的30 min中自動生成大量的數據，該活動環節的目的在于培養學生處理大量原始數據及分析實驗結果的能力。

對比進出葉室C02濃度的變化，繪出光照強度與二氧化碳變化量的關系，如圖3所示。

引導學生對該曲線進行分析，可以認識到以下三點：

①光合作用需要光；

②光合作用需要CO₂；

③一定條件下，隨光照強度的增強，光合作用也增強。

該活動將傳感器、數據采集器和計算機結合起來，不需黑暗預處理便可測定即時光合作用，高效省時，解決了傳統實驗數據測定不可靠的問題，利用計算機對數據進行初步的處理，得到直觀簡便的圖像，便于學生對實驗數據進行討論，讓學生從多個側面認識光合作用的過程，這種主動積極的建構過程，有利于使知識轉化為個體內在的認知結構，同時該活動也讓學生進一步認識到科學技術對生命科學發展的推動作用。

3、活動的反思

模擬英格豪斯和薩克斯實驗的兩個活動是在初中實驗基礎上的拓展和延伸，針對高中生的思維特點，教師應該引導學生針對實驗設計和實驗過程中出現的具體問題進行探究實驗。活動三則利用高中生物課程標準規定的實驗“使用高倍顯微鏡觀察綠色植物的葉綠體”來觀察“用碘液染色的旱金蓮葉片的葉綠體”，從而驗證綠色植物光合作用的場所是葉綠體。活動四則將計算機數據采集系統引入校本課堂，讓學生近距離地體驗現代化的檢測手段對生命科學研究的直接推動作用，在收集和處理科學數據的過程中通過提高分析和解決問題的能力。

實驗課是培養學生探究能力的良好載體，“光合作用的認識過程”是基于科學史模擬實驗的校本課程中的活動內容，該內容是必修課的拓展和延伸，由學生選修，4人組合形成學習小組，采用半開放的課堂，給學生創造了一個體驗與實踐的機會。該活動突破了教學體系的封閉性和教學時間的束縛，大大豐富了學生體驗探究的范圍，對學生鞏固光合作用的知識，培養學生實驗設計與實驗分析的能力，提高科學素養具有重要的意義。