“綠色植物的呼吸”實驗教學改進

李興銳 徐國艷

（1 北京市燕山前進中學 北京 102500 2 北京市燕山教研中心 北京 102500）

北京版生物學7 年級下冊“綠色植物的呼吸”一節中的演示實驗，利用二氧化碳能使澄清石灰水渾濁的性質，驗證了萌發的種子在呼吸過程中產生二氧化碳[1]。濟南版教材在該節中，還利用氧氣的助燃性驗證了萌發種子在呼吸過程中消耗氧氣[2]。筆者根據教學經驗發現，由于“證據鏈”不足，學生不容易理解植物的每個器官的功能，尤其是葉片在任何時候都產生二氧化碳。這些學習瓶頸使學生對“植物時時刻刻都需要進行呼吸作用”的認識產生障礙，進而影響對“植物光合作用與呼吸作用”的整體理解。《義務教育生物學課程標準（2011 版）》指出，生物學課程要幫助學生領悟科學的本質，引導學生主動參與、勤于動手、積極思考，逐步培養學生收集和處理科學信息的能力、獲得新知識的能力、分析和解決問題的能力，以及交流與合作的能力等，突出創新精神和實踐能力的培養[3]。

因此，為有效落實課程標準，幫助學生突破學習瓶頸，筆者進行了一些實驗教學改進。既讓學生主動地認知生命世界、解釋生命現象，又讓學生在實證性任務中與實驗開展深入對話，突破學習瓶頸，鍛煉和提升科學思維能力。

1 創設挑戰性情境，激發內在學習動機

生物學課程期待學生主動學習，然而主動學習并非指學生自學，而是在教師的引領和幫助下，學生將學習動機由外在壓力轉變為內在需要。因此，創設具有挑戰性的學習情境，可促進學生形成積極的內在學習動機。在“探究萌發種子的呼吸產生二氧化碳”的環節中，如果僅通過實驗演示讓學生描述種子呼吸產生二氧化碳，屬于淺層學習中的識記、領會層次，學生對實驗探究的興趣不高。教材中采用排水集氣法（圖1），產生的二氧化碳氣體容易逸散，且反復操作易使二氧化碳溶于水，從而對實驗效果產生影響。筆者通過文獻調研，發現可利用多種裝置收集植物產生的二氧化碳[4]。為了讓學生充分發揮自己的智慧，筆者創設了如下學習情境。

圖1 種子的呼吸實驗裝置［1］

通過前面的學習，學生知道人呼出的氣體能使澄清石灰水變渾濁，人有呼吸運動，但植物沒有，如何將植物產生的二氧化碳通入澄清的石灰水？為了讓學生獨立解決該問題，筆者給學生提供如下的實驗材料和器具（圖2A），讓學生自己組裝實驗裝置。學生想出了多種收集二氧化碳的方法，例如，排水集氣法、擠壓法、抽取法等（圖2B）。筆者將參與設計的36 個小組所組裝的裝置進行了歸納整理。36 個小組中有16 個小組按照教材中的裝置進行了組裝，說明學生通過自主學習，能理解實驗方法并解決該問題；其他20個小組沒有按照教材中的裝置進行組裝，說明學生能解決該問題。這種具有挑戰性的學習情境，激發了學生挑戰自我的學習動機。

圖2 實驗材料（A）及學生設計的裝置（B）

2 拓展實驗材料，促進學生科學思維

科學思維是生物學核心素養的重要組成部分，擁有科學思維能提高學生分析和解決問題的能力，增強學生的創新意識，促進終身學習能力的發展。科學思維的培養需要教師創設實證性的學習任務。實證性的學習任務可以是解決真實問題，讓學生提出解決方案；也可以是尋找證據，還可以是得到科學的結論，讓學生分析真實的探究實驗結果。教材中“探究萌發種子的呼吸”的實驗只探究了萌發種子呼吸產生二氧化碳，對植物的其他器官是否產生二氧化碳及植物在任何時候都能產生二氧化碳缺少實證。為此，筆者進行了如下的教學和實驗改進，以期突破學生學習瓶頸，發展學生的高階思維。

除提供教材中的黃豆種子外，筆者還給學生提供了5 種常見易得的植物器官：菊花、圣女果、胡蘿卜根、土豆塊莖和綠蘿葉。光照24 h，實驗結果如圖3 所示（見插頁2），與空白組相比，2～ 6 組的澄清石灰水變渾濁了，7 組的澄清石灰水沒變渾濁。這種豐富實驗材料的活動，不僅為學生提供了實證的機會，還營造真實的對比情境，容易引發學生批判性思維。

通過觀察和思考，發現問題：“與對照相比，葉組澄清石灰水沒有渾濁”并提出問題：“植物的葉能否產生二氧化碳？”此時筆者適時給學生布置實證性任務——討論并分享解決方案。學生提出的解決方案匯總于表1。如表1 所示，提出在黑暗條件下進行實驗的小組最多，說明學生可聯系到“綠葉的光合作用”；有2 個小組還能提出將六大器官分別在光照和黑暗條件下同時進行3 次重復實驗，說明學生開始領悟解決問題的方法。通過討論及分享解決方案的活動，啟發學生聯系舊知識，能促進學生整合信息。

表1 學生提出的解決方案匯總表

此外，該任務還增強學生自信，激發觀察與分析實驗結果的積極性。在學生討論的基礎上，增加了黑暗條件下的實驗。實驗結果如圖4 所示（見插頁2），與空白組相比，黑暗條件下所有組的澄清石灰水均變渾濁。通過對實驗材料和實驗條件的拓展，學生觀察到并證實了植物根、莖、花、果實和種子在任何時候（白天和夜晚）都能產生二氧化碳，葉片在黑暗條件下也能產生二氧化碳。

3 與物理學科概念整合，突破學習瓶頸

上述實證性任務之后，學生批判性思維開始活躍，能提出新的問題：“綠葉能否在光照條件下產生二氧化碳？”但從學生回答情況中不難發現，學生對植物什么條件下產生二氧化碳存在很深的誤解。隨機抽到12 名學生中，5 名學生認為光照條件下植物葉片只進行光合作用，不能產生二氧化碳；7 名認為綠葉能在光照條件下產生二氧化碳，但暫時想不出如何證明。該結果一方面說明補充“證據鏈”，尋找證據迫在眉睫，另一方面說明學生思維從定性向定量的發展需要反復經歷。此時，增加了探究葉片在光照條件下是否產生二氧化碳的實驗。

筆者基于學科交叉，將初中物理學中的并聯電路巧妙地與生物學探究相結合。如圖5 所示，1 組為黑暗組，未接入電池，2～4 組通過改變電池數量，光照強度逐漸增強。為防止其他光線的干擾，將裝置置于貼有錫紙的紙箱子內。

圖5 探究植物葉片是否在光照條件下產生二氧化碳的裝置

學生對此探究實驗非常感興趣，對實驗結果能否證明光照條件下植物葉片產生二氧化碳展開激烈的討論。實驗結果如圖6（見插頁2）所示，與空白對照組相比，黑暗組（1 組）澄清石灰水變渾濁，2 組澄清石灰水也變渾濁，但較黑暗組渾濁程度降低，隨著光照強度增加，澄清石灰水渾濁程度逐漸降低。為了評價學習任務的效果，再一次請上述12 名學生回答：黑暗組澄清石灰水變渾濁的原因；隨著光照強度增強，石灰水渾濁程度降低的原因。從這次回答情況分析，學生開始學會信息整合，可將原有光合作用知識與新的呼吸的知識相聯系，并得出植物每個器官在任何時候都產生二氧化碳的結論。

生物學是基于事實研究生命現象和生命活動規律的一門科學。生物學實驗是讓學生體驗生物科學研究過程的重要教學活動。增加學生的思考時間和空間，能讓學生體會解決問題的喜悅，容易激發內在的學習動機；補充和豐富“證據鏈”對于生物學教學非常重要。實證性學習任務的完成能讓學生親歷發現問題，提出問題，尋找證據、解決問題的過程。將初中物理學的并聯電路，巧妙地與生物學裝置相結合，引導學生整合信息，能幫助學生突破學習瓶頸，體會知識相互滲透和相互融合的魅力，培養創新精神。