通過實驗探究建構生物學核心概念的教學策略
——以“光照強度對黑藻光合作用的影響”為例

丘城鋒

(廣東省廣州市東圃中學 廣州 510660)

核心概念是位于學科中心的概念性知識，包括對概念、原理、理論等的基本理解和解釋，這些內容能夠展現當代學科圖景，是學科結構的主干部分[1]。《普通高中生物學課程標準(2017年版)》要求教師在設計和組織教學活動時，應該圍繞大概念和重要概念開展教學活動，促進學生對生物學概念的建立、理解和應用[2]。

心理學家皮連生指出任何知識的獲得都必須通過學生的同化才有可能[3]。由此可見，概念教學不是讓學生簡單牢記概念的定義，而是引導學生解釋和探索感悟生活中的現象，對情境現象產生認知沖突，理解概念的內在原理，幫助學生將科學概念、科學思維和實驗探究技能等方面的素養融合一起。學生對核心概念的理解離不開重要概念的形成，從核心概念的外延出發，拓展和延伸出相關重要概念，促使學生形成知識體系，全面理解核心概念。

“環境因素對光合作用強度的影響”是教材中的探究性實驗，本文以“光照強度對黑藻光合作用的影響”進行實驗探究教學，培養學生的探究思維，引導學生構建與光合作用相關的重要概念，幫助學生建立生物學觀念和重要概念，促進對核心概念的理解深化，使探究性實驗成為學生掌握生物學概念的方法和途徑。

1 探究性實驗在構建重要概念教學的理論模式

探究性實驗可使學生從核心概念外延出發，針對問題探究來獲取和構建知識，從而聚焦重要概念的理解和掌握。圖1為探究性實驗過程中重要概念構建模式圖，通過探究性實驗活動讓學生在所探究的問題中，發現和獲取新知識，構建重要概念，最后聚焦核心概念。

圖1 實驗探究過程中構建重要概念教學理論模式

2 剖析核心概念，引申核心概念外延

人教版教材中“光合作用”是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉換成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。該概念明確光合作用的生物類型、場所、能量轉換、原料和產物。核心概念有其特定的內涵和外延，引導學生理解這一點，才能更好地掌握和理解核心概念。對光合作用核心概念內涵的剖析就是光合作用概念的延伸，如通過光照強度對光合作用的影響外延出光反應、光合作用強度、總光合作用、凈光合作用、光補償點、光飽和點等重要概念(表1)。

表1 “光照強度對光合作用的影響”核心概念知識梳理

3 探究性實驗在概念建構中的教學策略

概念的學習始于問題，概念是在研究問題的過程中建立的，大概念是在解決一系列問題串的過程中，一步一步概括出來的[4]。實驗探究過程就是學生的認知沖突的過程，將觸發學生思維的碰撞，運用探究性實驗來指導概念教學，教師需針對實驗現象，創設“問題情境”引導學生進行交流探討，鼓勵學生自己觀察、思考、提問，幫助學生獲得新的認知，并通過文字描述、數字表格、曲線圖等方式完成報告，揭示實驗現象的本質，將核心概念延伸出去，實現對重要概念的構建和理解。

4 探究不同光照強度對黑藻光合作用的影響

4.1 提出問題和作出假設 依據教材光合作用的核心概念內涵，光合作用需在光照下進行，并且釋放出氧氣。引導學生據此提出問題： 不同光照強度會對黑藻光合作用產生怎樣的影響？依據學生提出的問題，教師創設問題情境： 怎樣判斷光照下黑藻是否進行光合作用？是否只要有光，黑藻就會釋放O2？不同光照強度，黑藻光合作用強度會怎樣變化？針對情境問題，學生通過初步實驗觀察發現，在弱光下，黑藻的葉片沒有附著氣泡，說明弱光下黑藻沒有釋放O2，同時觀察發現黑藻附著的氣泡數目與光照強度有關聯，由此引導學生作出假設： 在一定光照強度下，黑藻光合作用強度隨著光照強度升高而增強。

4.2 探究過程 實驗材料用具： 生長發育狀況良好的黑藻、不同瓦數的LED光源、1% NaHCO3溶液、錐形瓶和U型管等。學生設計實驗要經歷辨別變量，即怎樣設置自變量，怎樣觀察因變量，怎樣控制無關變量。學生交流討論后，依據實驗作出的假設，實驗自變量為不同光照強度(不同瓦數的LED光源)，因變量為1 h內O2的釋放量(U型管液面上升的高度)作為衡量黑藻光合作用強度的指標。無關變量的控制需適宜且一致，如： 不同組別的實驗要保證光源與裝有黑藻的錐形瓶相同的距離，CO2緩沖液濃度和錐形瓶內NaHCO3溶液的體積相同，黑藻的生長發育狀況和數量要一致，采用冷光源以更好地控制實驗溫度等。學生依據變量辨別，設計和完善實驗，制定實驗裝置(圖2)。

圖2 “不同光照強度對黑藻光合作用的影響”實驗裝置

實驗之前，學生設計和繪制表格，以便于在實驗過程中觀察并記錄實驗數據(表2)。為減少實驗誤差對實驗結果的影響，教師引導學生思考： 如何獲得更為準確的實驗數據？學生在交流后，每組實驗重復3次，獲得相關實驗數據后求其平均值。

表2 “不同光照強度對黑藻光合作用強度的影響”實驗數據記錄

數據轉換，形成曲線圖。學生根據表格的數據轉換成坐標曲線圖，教師引導學生如何繪制曲線圖： 以光照強度(LED燈瓦數)為X軸，光合作用強度(U型管液面變化高度平均值)為Y軸，標明X軸與Y軸的刻度，隨后根據表格數據在坐標軸上描點并繪制曲線(圖3)，使實驗結果更為直觀形象地呈現出來。

圖3 不同光照強度對黑藻光合作用的影響

4.3 表達交流中獲取知識，構建重要概念，聚焦核心概念 教師引導學生整理實驗數據，深入剖析實驗數據，展開分析和討論。設置下列問題： 光是如何影響光合作用的？實驗是如何衡量光合作用強度的？U型管液面變化的距離代表什么？如何比較不同光照強度下，光合作用強度的強弱？學生針對這些問題結合實驗過程中的現象和記錄的數據進行交流討論，依據光合作用的內涵來看，光是光合作用的條件之一，是能量的輸入，參與光合作用光反應階段。其外延是光通過光合色素的吸收、轉化過程中，伴隨水光解釋放O2，從而構建起“光反應”和“光合作用強度”兩個重要概念。

引導學生將表格數據轉換成曲線圖后對其進行解讀。設置下列問題： 黑暗條件下，測得的數據A代表什么？所繪制的曲線與橫坐標的交點B的含義是什么？A—B區間說明什么，同時讓學生解釋弱光下，黑藻的葉片為什么沒有附著氣泡？B—C區間說明什么？光照強度到達一定值時，光合作用強度不再增大時的最小光照強度C代表什么？針對上述問題，引導學生展開分析和討論得出： 植物能否正常生長取決于凈光合速率(總光合速率和呼吸速率的差值)，即必須高于B點(光補償點)；光補償點的高低一定程度上反映該植物能否適應弱光環境，光飽和點是植物生長最迅速所需的臨界光照強度，超過這個光照強度，植物的光合作用強度不提高。

依據光合作用的內涵來看，氧氣是光合作用的產物，本實驗通過測定不同光照強度下U型管液面變化的距離來代表黑藻的光合作用強度，從而延伸出“呼吸速率”“光補償點”“光飽和點”“凈光合速率”“總光合速率”等重要概念。

教師通過創設問題情境貫穿實驗探究的過程，引導學生聚焦并討論和分析問題，有助于學生對光合作用知識的理解和遷移，最終建構多個與光合作用相關的重要概念。同時得出實驗結論： 在一定范圍內，隨著光照強度的增強，黑藻的光合作用強度增強。通過對相關重要概念的構建，理解光合作用概念的內涵和外延，更深刻地認識光合作用的過程，揭示光合作用實質是實現物質和能量的轉換，為細胞的生存提供能源物質，在此基礎上形成生命觀念，并能夠用生物學核心概念解釋生命現象。

5 基于探究性實驗，聚焦概念學習的反思

探究性實驗中，應重視學生的體驗參與。例如實驗中，學生將錐形瓶和U型管的塞子涂抹上凡士林，以保證實驗裝置的氣密性。實驗數據的準確記錄和曲線圖的繪制，培養學生的科學態度和數形轉換能力。問題串驅動的交流討論，使學生領悟到科學家在探究性實驗中解決問題的思路和方法。

從光合作用的核心概念外延的教學中，拓展延伸相關的重要概念，要求教師不要“只講概念”，而應該“構建概念”。學生是學習的主體，教師是引導者。學生通過探究性實驗，將實驗觀察到的感性知識進行抽象和歸納，整合到自己原有的知識體系中，引發認知沖突和共鳴，進而擺脫對光合作用內涵的機械式記憶。探究性實驗教學能使學生在構建相關重要概念的同時，真正去理解核心概念。

基于生物學核心概念的實驗探究教學實際上就是建立在生物學事實、原理和規律上，直指核心概念內涵，是對生物學核心概念深度構建的過程，從而幫助學生將科學概念、探究技能、科學思維和生命觀念等相融合。