“光合作用”中考復習課的教學設計

裘 英 田樹青 王 薇

（1 北京市豐臺區第八中學 北京 100071 2 北京教育學院豐臺分院 北京 100073）

《義務教育生物學課程標準（2011 版）》提出“面向全體學生、提高生物科學素養、倡導探究性學習”的理念。在“光合作用”中考復習課的教學中，創設“天宮二號”種菜這一真實問題情境，啟發學生回顧光合作用的相關知識，并提出裝置設計思路。學生在已有的光合作用實驗研究和學習的基礎上，提煉實驗設計的基本思路和通理通法，在新的問題情境中，運用相關原理和實驗設計原則，討論可行的實驗方案并進行實踐，提升對原有核心概念和實驗設計原則的理解。

1 教學背景分析

1.1 教材分析 “綠色植物的光合作用”在北京2018年中考《考試說明》“知識考核內容”要求為II 級，即要求理解光合作用所列知識內容與其他相關知識內容之間的內在聯系，并能在復雜的情境中綜合運用，進行判斷、分析、解釋、推理和評價。在“實驗考核內容”中明確列出了“探究光合作用的條件、原料和產物”這一實驗及其對應的科學探究要求條目。可見，該教學內容是初中學段重要的學習內容和考試評價內容之一。

初中階段對于光合作用的學習聚焦植物個體水平和宏觀現象研究，既有科學史上的經典實驗，也有學生易于完成的實踐探究活動作為支撐，是學生在高中學段進入細胞水平學習光合作用過程的基礎。在綠色植物個體水平上學習光合作用過程和原理，符合初中階段學生的認知水平，對學生理解植物體的生命活動、植物與環境的關系，以及綠色植物與人類生存、 發展等關系具有重要的意義。所以，從知識的角度看，光合作用的原理是復習的重點；從研究方法和實驗設計原則的角度看，科學史中的二手資料探究和學生實驗實踐活動需要提煉和加工，是突破科學探究和實驗設計這一復習難點的良好載體。同時，學生小組討論和組間交流，可不斷完善實驗設計方案，引導學生體會探究與合作的樂趣，鼓勵學生利用已有的光合作用相關知識和實驗設計方案解決“天宮二號”種菜這一真實問題，有助于發展學生的科學思維水平，提高其社會責任意識。

1.2 學情分析 學生初一時對“綠色植物的光合作用”內容已形成基本概念，對科學探究過程也有初步體驗。但在中考復習時，因距離新課學習的時間較長，學生對這部分知識在一定程度上已有所遺忘，不能很好地將知識應用到實際生產生活中，對相關的光合作用探究實驗設計、現象、結論的認識還不夠深刻，遷移能力較弱。

2 重要概念

2.1 綠色植物能利用太陽能（光能），把二氧化碳和水合成貯存了能量的有機物，同時釋放氧氣。

2.2 科學探究需要通過觀察和實驗等多種途徑獲得事實和證據。一項觀察或實驗重復的次數越多，獲得準確結果的可能性越大。科學探究既需要觀察和實驗，又需要對證據、數據等進行分析和判斷。科學探究需利用多種方式呈現證據、數據，例如采用文字、圖表等方式表述結果，需要與他人交流和合作。

3 教學目標

1）知識目標：闡明綠色植物的光合作用過程；明確實驗變量和實驗設計原則。

2）能力目標：選擇恰當的實驗材料；設計對照實驗；發展科學探究能力；通過實驗條件的控制獲得可靠的實驗數據（證據）作為檢測指標，理解自變量和因變量的關系；分析實驗數據，作出推理和判斷，得出結論。

3）情感態度與價值觀目標：體驗科學探究設計和實踐過程中的樂趣； 參與實驗設計方案的討論，與伙伴交流討論，體會合作的重要性；認同光合作用研究的價值，增強民族自豪感。

4 教學過程

4.1 創設復習課問題情境 教師播放新聞視頻，并介紹：天宮二號空間實驗室，是繼天宮一號之后中國自主研發的第2 個空間實驗室，2016年9月16日發射升空。宇航員有一項特殊的任務——“種菜”，景海鵬和陳冬在1 個月的時間里，栽培了生菜這一生活中十分常見的蔬菜。

問題1：太空種菜與校園或居室中種菜哪個更容易？

問題2：在太空這樣的特殊環境條件下，應如何設計裝置保證生菜的正常生長？

學生經過討論，聚焦解決該問題需考慮植物光合作用的條件和影響因素，從而進入基礎知識的復習環節。

4.2 喚起回憶，儲備實驗設計所需的知識

4.2.1 策略1：利用光合作用反應式，回顧重要概念 教師提供術語磁貼，包括光能、葉綠體（貯存能量）、條件、水、氧氣、原料、淀粉、二氧化碳、場所、產物等，要求學生利用這些名詞，加上適當的連接符（加號、箭頭等），構建光合作用的反應式。學生在學案上撰寫，同時請一位學生在黑板上將寫有相關名詞的字條按照正確的順序粘貼（圖1）。

圖1 光合作用的反應式

學生完成此任務時出現的問題集中在“物質變化”與“能量變化”不分，表現為光能和儲存能量2 個磁貼的位置擺放錯誤，教師針對學生表現的問題與學生進行討論和糾正。該問題與課前預設一致，因為學習新課時，學生尚沒有化學、物理學等基礎，在理解光合作用過程時更多的是機械記憶，通過復習課可提升學生跨學科理解重要概念的意識；同時，這也是生物學科滲透物質與能量觀念的好素材。

4.2.2 策略2：利用實驗裝置圖和動畫，回顧重要實驗 教師提供光合作用科學史或學生實驗裝置圖片磁貼，讓學生將磁貼對應在光合作用反應式中相應的位置，引導學生體會光合作用研究中的每一步都是有實驗依據的。圖片有助于學生回顧實驗結果和現象，例如探究光合作用產生淀粉的實驗（圖2、圖3）。

圖2

圖3

從考試評價的角度分析，學生還需掌握一些經典實驗的操作過程細節和原理依據，磁貼這種靜態圖片無法達到理想效果。教師利用“京版云”平臺上的動畫，與學生一起回顧經典實驗目的、步驟、現象和結論。

在復習學生熟知的實驗過程中，利用具體實驗例證引出自變量、檢測指標與因變量的概念，引導學生理解實驗設計的一般方法，即自變量是實驗中人為控制的變量，例如對葉片進行局部遮光處理，有光/無光就是自變量；檢測指標是實驗中出現的現象，例如局部遮光的葉片在照光之后經脫色處理，滴加碘液，有的區域變藍，有的不變藍，遇碘變藍/不變藍就是檢測指標；因變量是實驗中由于自變量的作用而發生改變的變量，例如葉片變藍的部分有淀粉生成，反之則無，有淀粉/無淀粉就是因變量。探究實驗的設計就是人為控制自變量，觀察自變量導致檢測指標的變化；檢測指標的變化反映因變量的變化，由因變量的變化看自變量對因變量的影響。

在新的問題情境中，遷移已有的實驗原理和思路，開展創新性實驗設計是以這樣的實驗設計一般方法為基礎的，這是本節復習課的難點，也為后續實驗設計的思維制高點搭設平臺，保證更多的學生可以順利地邁上新的臺階。

4.3 親歷探究過程，遷移重要概念和嘗試運用實驗一般方法

4.3.1 確定探究課題 教師提供研究性學習小組學生發現有一種化學試劑BTB（溴麝香草酚藍）水溶液顏色變化可反映水中二氧化碳含量變化，原理如圖4所示。

圖4 BTB（溴麝香草酚藍）水溶液顏色變化

為提高課堂教學的參與性，也為后續探究活動做準備，課堂上組織學生進行實驗操作，體驗實驗原理。具體過程包括：先慢慢向溶液內吹氣，觀察顏色變化；溶液變成綠色，再用力吹，直到溶液不再變色。學生在操作過程中觀察到，隨著吹氣的增加，溶液由藍變綠，再變成黃色，從而體會BTB溶液的顏色隨二氧化碳濃度增加而產生的變化。

教師在體驗后追問2 個問題，設問的目的在于檢查學生對本實驗材料和原理的理解。

問題1：向BTB 水溶液中吹入氣體，呼出的氣體與吸入的空氣相比有什么不同，而使BTB 水溶液變為黃色？引導學生正確理解由于呼出的氣體與吸入的空氣相比含有較多的二氧化碳，使BTB水溶液變為黃色。

問題2：充滿二氧化碳的水就好像“探究光合作用產生氧氣”的實驗向水中放入適量的碳酸氫鈉的作用。能否用充滿二氧化碳的BTB 溶液幫助探究光合作用？引導學生理解由于呼出的氣體與吸入的空氣相比含有較多的二氧化碳，使BTB 水溶液變為黃色。二氧化碳濃度的變化，無法用肉眼感知，借助BTB 二氧化碳飽和溶液的顏色變化能觀察二氧化碳濃度的改變，因此充滿二氧化碳的BTB 水溶液可用于“探究光合作用吸收二氧化碳”，由此確定了探究課題：探究光合作用吸收二氧化碳。

4.3.2 討論實驗方案 教師提供分組剪貼圖作為模擬材料用具，讓學生選擇恰當的剪貼圖（圖5），表達本組設計實驗方案。設計目的是在實驗條件、材料選擇和對照設計方面提供半開放的空間，供學生選擇和討論。

圖5 材料用具剪貼圖

活動要求：①各組要有目的地挑選資源（圖片）設計實驗，用剪貼圖呈現設計思路，并能分析說明各個圖片代表的意義； ②在描述本組的實驗設計時，請這樣組織語言：該組控制_______ 條件（自變量）；觀測__________ 變化（觀測指標）；反映______ 變化（因變量）；說明______ 問題（結論）。

第1 種學生方案（圖6）：該組的實驗是探究綠色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了有/無植物的自變量，觀測黃色的BTB 溶液是否變藍色的檢測指標，反映因變量二氧化碳濃度的變化，若有植物的1 號試管變藍，無植物的2 號試管沒有變藍，則反映了1 號試管二氧化碳濃度降低；2 號試管二氧化碳濃度沒有變化，說明光照不能使BTB 溶液變色，BTB 溶液由黃變藍的原因是綠色植物在光下吸收二氧化碳。

圖6 實驗裝置

圖7 實驗裝置

第2 種學生方案（圖7）：該組的實驗是探究綠色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了有光/無光的自變量，觀測黃色的BTB 溶液是否變藍色的檢測指標，以反映因變量二氧化碳濃度的變化，若有光的1 號試管變藍，無光的2 號試管沒有變藍，則反映了1 號試管二氧化碳濃度降低；2 號試管二氧化碳濃度沒有變化，說明植物的生命活動（呼吸等）不能使BTB 溶液變色，BTB 溶液由黃變藍的原因是綠色植物在光下吸收二氧化碳。

第3 種學生方案（圖8）：該組的實驗是探究綠色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了植物多/少的自變量，觀測黃色的BTB 溶液是否變藍色的檢測指標，以反映因變量二氧化碳濃度的變化。若無植物的1 號試管不變藍，有植物的2 號試管、3 號試管、4 號試管變藍的速度越來越快，則反映了1 號試管二氧化碳濃度不變，2 號試管、3 號試管、4 號試管的二氧化碳吸收速度越來越快，說明綠色植物越多在光下吸收二氧化碳越快。

圖8 實驗裝置

從以上3 種實驗方案看，學生均能明確自己研究的自變量、因變量，實驗設計符合探究實驗設計的基本原則，但從實驗探究目的考慮，對照不全面或不相符，可相互借鑒、加以修改和完善。

基于學生的討論，教師提出第4 種方案：1 組和2 組分別考慮到光合作用的重要因素——光和植物，是否能將這2 個因素在一組裝置中同時體現？教師出示一套實驗設計裝置（圖9），并提出問題，引導學生思考討論。

圖9 實驗裝置

教師引導學生分析： 設置1 號試管的目的是探究綠色植物在光下吸收二氧化碳； 設置2 號試管的目的是探究光照能否使BTB 水溶液變色；設置3 號試管的目的是探究在無光的情況下植物是否吸收二氧化碳，所以學生認可這套實驗裝置更好，只用3 支試管就完成了2 組實驗，并符合科學探究實驗的單一變量原則和對照原則，實驗結果準確可靠，令人信服。該過程沒有否定任何一組的實驗設計方案，而是保留合理的部分，去粗取精，增強學生的實際獲得感，體會在合作與討論中完善實驗方案的樂趣。

師生共同完成實驗預期：1 號試管的BTB 水溶液由黃色變藍色，2 號試管不變色，3 號試管也不變色，即表明只有1 號試管內的綠色植物吸收了二氧化碳，進行了光合作用。

4.3.3 完成實驗操作 學生分組按照已討論的實驗方案進行操作，全班學生的1 號和2 號試管均放在距中央光源20cm 的同心圓上（圖10），3 號試管放在暗箱中（圖11）。放置好試管后，打開光源，關閉暗箱門，進行實驗（圖12、圖13）。

由于實驗結果需要一定的時間，課上展示上一個班的實驗結果（圖14、圖15），實驗結果正如預期，因此得出結論，并引導學生用科學探究的規范用語分析實驗： 實驗探究綠色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了有光無光和有無植物的自變量，觀測黃色的BTB 溶液是否變藍色的檢測指標，以反映因變量二氧化碳濃度的變化。結果顯示，在有植物并有光照的試管中，BTB 水溶液顏色由黃變藍，從而得出綠色植物在光下吸收二氧化碳的結論。

4.4 回扣問題情境，總結提升復習要點 教師引導學生反思所做的科學探究與科學家的研究工作是類似的，其本質都是人為控制的自變量對因變量的影響。進行實驗探究應該明確實驗目的、設置自變量、選擇檢測指標、通過檢測指標推理出因變量的變化，從而得出結論。

本節課復習了光合作用原理及科學探究的一般方法，如何幫助科學家解決了太空種生菜的問題？此處回扣課前情境。在太空的環境下，如何設計裝置種植生菜？在太空種植進行實驗探究時應注意哪些問題？學生根據討論，明確空氣、溫度、光照等作為人為控制的自變量，生菜生長狀況作為因變量，可以觀察和測量。

5 教學反思

本節課引入實驗探究中的自變量等概念，以及探究實驗的設計，在應用的層面復習光合作用的重要概念，提升學生的科學探究能力，從而突破本節課知識和學科研究方法上的重、難點內容。引入自變量、觀測指標和因變量的概念，引導學生在熟悉的情境中（已做的實驗）理解這3 個概念在科學探究實驗設計中的作用，厘清三者的關系，提升對實驗設計基本原則的理解，并在新的問題情境中，利用BTB 檢驗二氧化碳濃度的變色反應，引導學生有效選擇適合的材料，設計探究實驗方案，積極尋求有效的問題解決方法。利用概念模型，引導學生描述自己的實驗設計，用規范性語言進行表述和交流，由此，給學生的思維過程搭建了臺階，使學生的邏輯思維推理規范化，并啟發學生從特殊到一般進行歸納總結，尋找進行實驗探究的過程和方法，運用科學探究的一般方法解決實際問題。

教師引導學生反思自己的實驗探究與科學家的實驗設計相同之處，引導學生認識到科學史上經典實驗的重大啟迪，并結合學生熟知的實驗，提煉實驗設計的一般方法，促進實驗設計思路和方法的遷移。通過對證據進行觀察、比較、分析、綜合、抽象與概括，學生真正理解和掌握了科學探究的重要規律和原理，養成理性思維習慣、科學的思維方式，達成了本節課的教學目標，具有借鑒意義。