從驗證走向探究

王駿

摘要：探究性實驗是學生發展科學探究能力的重要載體。教學“驗證綠葉在光下吸收二氧化碳”實驗時，基于學情，引導學生將驗證性實驗“升格”為探究性實驗。具體包括以下3個探究步驟：初步討論探究性實驗方案，探究綠色植物在光下是否吸收二氧化碳，探究不同濃度二氧化碳對植物光合作用的影響。

關鍵詞：生物實驗教學;探究性實驗;“驗證綠葉在光下吸收二氧化碳”

生物學是一門以實驗為基礎的探究性自然科學，科學探究貫穿生物學學習的全過程。科學探究能力是學生應該形成和發展的生物學學科核心素養，而實驗，尤其是探究性實驗，是學生發展科學探究能力的重要載體。因此，我們可基于學情，將教材中的驗證性實驗“升格”為探究性實驗，以拓展培養學生科學探究能力的路徑。教學蘇科版初中生物學八年級上冊《綠色植物與生物圈中的碳氧平衡》一節中的“驗證綠葉在光下吸收二氧化碳”實驗時，筆者就做了這樣的探索。

“升格”后的實驗教學目標為：（1）探究綠色植物光合作用實驗結果的生物學事實，并對證據進行歸納、概括與建模;（2）制訂并實施綠色植物光合作用相關實驗方案，探究綠色植物對于維持生物圈中碳氧平衡的重要意義;（3）嘗試運用光合作用的相關知識解決生產、生活中的實際問題，探究綠色植物的光合作用實驗的遷移價值。具體包括以下3個探究步驟：

一、初步討論探究性實驗方案

教材中，“驗證綠葉在光下吸收二氧化碳”的實驗方案如下：

1.取甲、乙、丙3只相同的大廣口瓶（或無色透明塑料袋），在甲、乙瓶內各放入1盆枝葉茂盛的植株，丙瓶內不放植株。用橡皮塞塞緊瓶口，并用凡士林封口。再通過導管分別向各瓶內深呼氣十余次，使瓶內含有大量二氧化碳。

2.把甲瓶放到黑暗處，把乙、丙瓶放到陽光下。2h后，揭開瓶塞，分別向甲、乙、丙3只瓶內滴入等量的0.1%溴麝香草酚藍溶液。仔細觀察各瓶內的溴麝香草酚藍溶液顏色有什么變化。

提示：溴麝香草酚藍簡稱BTB，是一種酸堿指示劑，在堿性溶液中呈藍色，在酸性溶液中呈黃色。水呈中性，BTB滴入基本還是呈淡藍色。當水中溶有二氧化碳后，會形成碳酸，而碳酸是弱酸，會使BTB溶液由淡藍變綠再變成黃色。

教師組織學生小組討論發現，將原來的驗證性實驗“升格”為探究性實驗，可以從原來實驗的幾個弊端入手：

（1）適宜放置盆栽植物的廣口瓶要求體積大、帶軟木塞、能插入玻璃導管、氣密性好，不太容易找到;若選用較大無色透明塑料袋，滴加BTB溶液操作不便、耗時長、空間大小不易控制。

（2）在未明確植株類型的情況下，不同植物的光合作用速率不同。

（3）實驗時間不可控，現象不明顯，實驗結果只能呈現最終時刻二氧化碳的有無，無法實時監測。

教師指導學生小組進一步討論，最終形成相應的探究方案。針對第（1）點，選用透明礦泉水瓶，優點在于材料易得，體積小，所需植物植株少，易搬運，使用便捷。針對第（2）點，選用金魚藻、銅錢草、黑藻、綠金錢對葉等小型水生植物，不僅與液體環境相適應，而且可方便地置于器皿中，操作簡單;若植物葉片較大，可借鑒“葉圓片上浮法”，用塑料吸管或筆帽截取葉圓片，并且葉圓片面積越小，實驗出現明顯現象所用的時間也就越短，適用范圍較廣;清水能維持水生植物的正常生長，加入BTB溶液后顏色變化明顯。針對第（3）點，考慮先滴加BTB溶液，可動態觀察顏色變化，時間可控，現象明顯。

經過七年級的學習，學生已具備一定的生物學知識，如植物的光合作用、氧氣和二氧化碳的鑒定方法等。另外，初中生具有較強的好奇心、初步的科學探究技能。這是將驗證性實驗改為探究性實驗的學情基礎。通過小組合作，學生選擇了簡單方便的實驗材料，降低了實驗成本。改進之后的實驗裝置簡單，氣密性好，組裝簡潔，易操作，可以反復使用，實驗效果顯著。這有利于激發學生的探究熱情，促使其更積極地開展科學探究。

二、探究綠色植物在光下是否吸收二氧化碳

教師演示實驗（也可提前錄制視頻）：在透明礦泉水瓶中加入適量滴有BTB溶液的雪碧，放入銅錢草，密封，置于光下（實驗室內使用400W燈泡），溶液變成淡藍色。

學生觀察現象，提出假設：二氧化碳被綠色植物吸收或“蒸發”了。

教師指導學生設計實驗方案，預測結果：設置對照組2號，不放銅錢草，其他條件相同且適宜，如果1號變成藍色、2號不變，則二氧化碳被綠色植物吸收了;如果1號、2號都變為藍色，則二氧化碳“蒸發”了。

學生交流討論：綠色植物吸收二氧化碳一定需要光照嗎？要控制變量有光和無光，可設置對照組3號。哪種因素可能會對BTB溶液顏色的變化產生干擾？要排除光對BTB溶液的影響，可設置對照組4號。

根據討論得到的實驗方案，學生開展探究實驗，分析結果，得出結論（見表1）。

另外，教師可提出問題：為什么使用葉圓片做實驗，最后BTB溶液顏色呈綠色？引導學生繼續從葉片的數量、植物的種類、光照強度等方面考慮實驗方案的優化。

通過優化實驗方案，加入BTB溶液動態觀察顏色變化，時間具有可控性且實驗現象明顯。學生在分析問題、解決問題的過程中有效提升了科學探究能力。

三、探究不同濃度二氧化碳對植物光合作用的影響

教師提出問題：如果要研究二氧化碳對光合作用的影響，應該如何控制變量？ 測定光合作用強度的指標是什么？

學生討論后形成思路：可通過不同比例的雪碧稀釋液來控制二氧化碳的量，可以用氧氣產生速率測定光合作用強度。就檢測氧氣釋放速率而言，主要有直接檢測和間接檢測兩種方法。直接檢測法是使用氣體檢測儀或傳感器顯示氧氣濃度變化;間接檢測法是將氧氣的釋放量轉化為其他便于直接觀測的量，如葉圓片上浮法。

教師引導學生定性與定量結合，開展探究實驗。實驗假設是葉圓片經過一段時間的光合作用后產生的氧氣，可附著在葉肉細胞的間隙或葉片的表面，使葉片的密度降低，進而上浮。通過觀察同一時間內葉圓片浮起的數量，初步判斷光合作用的強度。

實驗方案如下：

（1）用塑料吸管（或筆帽）制作葉圓片，放入盛有水的器皿中，同時注意遮光，以避免葉圓片因干枯萎蔫或提前進行光合作用而影響實驗效果。

（2）將葉圓片置于注射器內，并用注射器吸入清水;待排出注射器內殘留的空氣后，用橡皮堵住注射器前端的小孔，并緩慢拉動活塞，使葉圓片內氣體逸出，細胞間隙充滿水而全部沉到水底。

（3）將雪碧與水以2∶8、4∶6、6∶4、8∶2的體積比配制成50 mL的混合溶液置于透明表1實驗方案及結果記錄

條件實驗對照組1號2號3號4號BTB溶液/mL50505050加入二氧化碳呼氣呼氣呼氣/BTB顏色黃色黃色黃色藍色加入植物或葉圓片30片/30片/光照光照光照遮光光照BTB顏色藍色或綠色黃色黃色藍色結果分析二氧化碳被綠色植物吸收了無綠色植物，二氧化碳含量不變無光照，植物不吸收二氧化碳排除光對BTB溶液的影響實驗結論綠色植物在光下吸收二氧化碳

礦泉水瓶中，另設置只有水的對照組。五個礦泉水瓶分別加入10片葉圓片，沿著實驗臺日光燈所在的直線并列放置，發現雪碧濃度較大的溶液中的葉圓片不下沉，猜測原因是葉圓片密度小于雪碧溶液或其中的二氧化碳對葉圓片的上浮起助力作用。

（4）經過預實驗，重新設置梯度為清水（雪碧體積分數視為0%）、體積分數為10%的雪碧稀釋液、體積分數為20%的雪碧稀釋液。室溫下觀察并記錄5、10、15、20 分鐘后時葉圓片浮起的數量，每組實驗重復測定3次，記錄數據，取整數平均值。

（5）利用計算機軟件快速處理數據，自動生成全班統計結果的數據曲線圖（如圖1）。

師生一起分析結果，得出結論：在一定范圍內，光合作用隨二氧化碳濃度的增加而增強。教師引導學生聯系七年級上冊“植物的光合作用”相關知識建構思維導圖（如圖2），梳理科學探究的一般步驟，總結實驗設計的原則，即單一變量原則、對照原則、平行重復原則及“葉圓片上浮法”等。

最后，教師提出話題，讓學生利用本節課的實驗裝置和探究思路進行拓展實驗：探究綠色植物在光下產生氧氣;光的顏色對實驗結果有影響嗎？利用彩色玻璃紙探究不同光質對光合作用的影響;臥室放入較多的植物是否科學？探究植物呼吸作用過程中氣體的變化;夏季教室開空調后長時間密閉是否科學？利用氣體檢測儀探究人的呼吸作用。

通過改進實驗裝置，借力信息技術準確讀取氧氣數值，培養學生的定量觀。利用計算機軟件快速生成曲線圖，發展學生的數據分析能力及歸納概括、模型建構等科學思維。課上整合關聯實驗，課后進行拓展探究和實驗設計，一器多用，遷移學習，提高學生的實驗創新能力、系統整合能力。

生物學課程中的科學探究是學生領悟科學研究方法、積極主動獲取生物學知識而進行的各種活動。教師引領學生化驗證性實驗為探究性實驗，并不斷優化實驗方案，經歷進階式探究過程，可提高實驗教學的有效性，培養學生的科學探究能力。