“探究環境因素對光合作用強度的影響”實驗教學設計

王 菁

(江蘇省天一中學 無錫 214101)

1 教學內容分析及教學目標

“探究環境因素對光合作用強度的影響”是人教版高中必修1模塊第5章第4節“光合作用”的內容，是高中階段為數不多的定量分析實驗之一。該實驗內容豐富，在動手操作、數據分析和聯系生活實際等方面具有較高價值，是理論到實踐應用的橋梁。而從學習者方面來看，學生已經掌握了光合作用的原理和過程，在探究植物細胞的吸水和失水、影響酶活性的條件等實驗時，已經掌握了探究實驗設計的基本原則和方法。基于以上對教材和學習者實際情況的分析，以及對高中生物核心素養相關精神的解讀，筆者制定了如下實驗教學目標： 學生學會確認變量，能夠設計可行的實驗方案進行探究實驗，運用一定的方法處理和解釋數據，提高圖文轉化能力，逐步發展科學思維。

2 教學準備

2.1 制作階梯式實驗裝置(圖1) 該裝置是用透光性良好的亞克力材料制作而成的，分三層，從第三層開始，高度分別是15cm、 30cm、 45cm。底部平行排列了三條LED光源，由一個開關控制。打開開關，通過控制距離光源的遠近來控制光照強度這個自變量。每一層支架長度均為45cm，在同一層上可以放置4個裝有不同濃度的NaHCO3溶液(NaHCO3提供CO2)的小燒杯，所以該實驗裝置可以同時探究CO2濃度對光合作用強度的影響。

圖1 階梯式光合作用探究實驗裝置

2.2 預實驗 興趣小組的學生收集不同CO2濃度下光合強度的數據，初步確定最佳NaHCO3濃度在1%附近(NaHCO3提供CO2)，用溶解氧傳感器和數據采集器采集數據。隨后，采集校園植物棉花葉、番薯葉、常見蔬菜青菜、落葵等作為實驗材料，比較發現落葵葉片是理想的實驗材料： 葉片大、厚、葉脈細且葉綠體含量豐富。

2.3 設計探究活動單 在實驗開始前，制作好探究活動單(表1)，讓學生按照活動單規定的內容步驟設計實驗。

表1 “探究環境因素對光合作用強度的影響”探究活動單

2.4 材料和用具準備 打孔器，注射器，燒杯，1%NaHCO3溶液，磷酸緩沖液，落葵葉片等。

在1%附近配置等濃度梯度的NaHCO3溶液(小組合作配制)。學生制備脫氣葉片： 用直徑1cm的打孔器打出足夠數量的小圓葉片。利用注射器制造負壓，排出葉片中一部分氣體，使其可以下沉，放在暗處備用。

參照李俐的方法[1]對注射器進行了改進，將醫用頭皮針連于注射器前端，用夾子夾住，便于雙手緊握注射器，方便拉動活塞(圖2)。

圖2 改進后的注射器

3 教學過程

3.1 創設情境，設疑導入 播放一段關于新疆吐魯番盛產中國最甜葡萄的視頻，提問： ①植物進行的哪項生理活動與提高作物產量有關？②主要的外界影響因素有哪些？

設計意圖： 引導學生從光合作用發生條件和原料上分析影響光合速率的因素有哪些，從原有知識基礎出發，構建新知識。

3.2 師生互動，確定探究思路 具體步驟如下：

(1) 如果我們探究光照強度對光合作用強度的影響： 自變量是什么？如何設置？因變量是什么？如何檢測？無關變量有哪些？如何控制？學生小組討論并回答。

設計意圖： 回顧實驗設計相關的基礎知識，為本節探究課的開展奠定知識基礎。

(2) 如果我們利用自制階梯裝置探究光照強度對光合作用強度的影響，自變量是如何設置的？如何檢測因變量？學生回答： 通過距離光源的遠近設置自變量。通過小圓片上浮時間檢測因變量。

設計意圖： 利用課堂的現成資源，增加學生對變量設置的感性認識。

(3) 利用這一裝置能否探究CO2濃度對光合作用強度的影響？學生回答： 能。在同一光照強度下設置等濃度梯度的NaHCO3溶液。

分析總結： 這一實驗裝置可以同時探究光照強度和CO2濃度兩種環境因素對光合作用強度的影響。

(4) 學生小組合作完成“探究活動單”，小組間相互評價和完善實驗探究方案。

設計意圖： 以“探究活動單”的形式讓學生在沒有任何限制的條件下思考并討論，這樣充分發散了學生的思維，鍛煉并發展了學生的探究能力。

3.3 課堂實驗，記錄數據 具體步驟如下：

(1) 打開電源，開始計時。考慮到偶然因素的影響，只需記錄每個小燒杯中8片小圓葉片的其中6片上浮到水面所用時間即可。

表2 光照強度和CO2濃度對光合作用強度的影響實驗結果

(2) 學生觀察并設計表格記錄數據(表2)。

設計意圖： 將抽象的實驗過程和原理具體化，讓學生直觀地體驗實驗過程。

3.4 分析數據，得出結論 首先將葉片上浮時間取倒數×10-3，轉化為光合作用相對速率，然后指導學生將實驗數據用EXCEL或SPSS等數據處理軟件轉化為圖文[2](圖3)。實驗結果表明與理論預期相符，為下一節課的理論教學奠定了基礎。

圖3 CO2濃度和光照強度對光合作用速率的影響

3.5 課堂延伸 根據實驗結果提出在農業生產中可能的增產措施，讓學生的思維得以延伸，檢驗學習效果，繼續發展學生的探究能力。

4 教學反思

本實驗充分體現了實驗的性質和實踐的內涵，發展學生的探究精神和理性思維。由于白熾燈會散發熱量而帶來溫度影響；采用新型的LED光源(燈條)則消除了溫度變化對實驗結果的影響。以往在有限的一節課中，只能完成某一種環境因素對植物光合作用強度的影響，本實驗裝置利用葉片上浮時間反映O2釋放速率，同時兼具光照強度和CO2濃度2個變化的環境因素,可以更好地指導教學。本實驗設計符合STEM課程的教學理念，把學生學習到的科學知識與工程、技術和數學完美結合，有利于創新型人才的培養。