“探究不同環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新及教學(xué)設(shè)計(jì)

白 云

(廣東省深圳科學(xué)高中 廣東深圳 518000)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》在“教學(xué)建議”中提出“教師應(yīng)該提供更多的機(jī)會(huì)讓學(xué)生親自參與和實(shí)踐”。因此,本節(jié)課運(yùn)用自制實(shí)驗(yàn)裝置,縮短實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間,使學(xué)生在有限的課堂中能夠進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)探究流程。

1 教學(xué)內(nèi)容分析及設(shè)計(jì)思路

“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”是人教版普通高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第4節(jié)“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”中的一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性較強(qiáng),教材提供了一個(gè)參考案例,為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供思路。學(xué)生可以自主選擇材料,設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案。在這一過(guò)程中,可以提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。學(xué)生在探究過(guò)程中構(gòu)建概念,深化物質(zhì)和能量觀。教材在此部分更注重學(xué)生社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng),光合作用原理的應(yīng)用主要體現(xiàn)在指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐,因此本節(jié)課以建立校園溫室需要考慮的環(huán)境條件為情境,學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋求證據(jù),為解決實(shí)際問(wèn)題提供理論依據(jù)。

2 教學(xué)目標(biāo)

(1)能從物質(zhì)和能量觀的視角,說(shuō)出影響光合作用的因素;

(2)能對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出解釋,并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建環(huán)境因素對(duì)光合作用影響的數(shù)學(xué)模型;

(3)通過(guò)小組合作,制定可行的實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn),能夠科學(xué)地整理數(shù)據(jù),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析交流;

(4)認(rèn)同光合作用受多種因素影響,嘗試運(yùn)用實(shí)驗(yàn)結(jié)論指導(dǎo)校園溫室的建立,體會(huì)科學(xué)技術(shù)的重要價(jià)值。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)準(zhǔn)備

3.1 材料用具

綠菊、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaHCO3溶液(0.5%、1%、1.5%、2%)、不同功率的LED 燈若干(5 W、9 W、15 W)、量筒、燒杯、直尺、計(jì)時(shí)器、電子天平、剪刀、鑷子、紙箱、注射器(50 mL 和1 mL)、輸液管、紅墨水、記號(hào)筆、標(biāo)簽紙。

3.2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

(1)實(shí)驗(yàn)材料的創(chuàng)新

黑藻是常用的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)材料,用黑藻進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)由于莖和葉的光合作用強(qiáng)度有差異導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大,若選取黑藻葉片作為實(shí)驗(yàn)材料,取材又比較耗時(shí)。因此,選擇葉片為團(tuán)簇狀的綠菊作為實(shí)驗(yàn)材料,葉片的獲取較容易,縮短了取材時(shí)間。

(2)實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新

用輸液管和注射器連接制成簡(jiǎn)易裝置(圖1),利用液滴移動(dòng)法的原理,通過(guò)比較單位時(shí)間內(nèi)紅色液滴移動(dòng)的距離可以定量檢測(cè)光合作用的強(qiáng)度,短時(shí)間內(nèi)可以觀察到比較明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此裝置可以探究光照強(qiáng)度、CO2濃度、溫度、光質(zhì)對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

4.1 提出問(wèn)題,作出假設(shè)

學(xué)校菜園的蔬菜產(chǎn)量不高,我校計(jì)劃建立人工溫室,通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境因素以提高植物的光合作用強(qiáng)度。需要考慮哪些環(huán)境因素?

設(shè)計(jì)意圖:利用生活情境,提高學(xué)生的探究熱情。

4.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

教師可通過(guò)以下問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案:

(1)本實(shí)驗(yàn)的自變量是什么? 因變量是什么?如何控制自變量? 怎樣觀察或檢測(cè)因變量?

(2)對(duì)照實(shí)驗(yàn)怎樣設(shè)置? 是否需要進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)?

(3)怎樣保證實(shí)驗(yàn)材料在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能進(jìn)行正常的光合作用?

(4)經(jīng)過(guò)討論形成實(shí)驗(yàn)方案,列出材料用具清單,設(shè)計(jì)好記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格。

設(shè)計(jì)意圖:提高學(xué)生科學(xué)探究能力和小組合作能力。

4.3 實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案

4.3.1 探究不同光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

(1)稱取9 份綠菊,每份2 g;

(2)分別將9 份綠菊放入9 只50 mL 注射器中,向注射器中加入50 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% NaHCO3溶液;

(3)將注射器活塞推入注射器,排出注射器內(nèi)多余空氣;

(4)用1 mL 注射器將紅墨水注入輸液管前端,連接輸液管和注射器;

(5)每三份為一組,將上述注射器分別放入裝有5 W、9 W、15 W 燈泡的紙箱中,輸液管在紙箱外;

(6)在輸液管下鋪一張白紙,標(biāo)記紅色液滴的初始位置;

(7)打開(kāi)光源開(kāi)關(guān),5 min 后分別記錄每組3 只注射器中紅色液滴移動(dòng)的距離,求平均值。

4.3.2 探究不同CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

(1)稱取9 份綠菊,每份2 g;

(2)分別將9 份綠菊放入9 只50 mL 注射器中,每3 份為一組,分別向注射器中加入50 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%、1.5%的NaHCO3溶液;

(3)將注射器活塞推入注射器,排除注射器內(nèi)多余空氣;

(4)用1 mL 注射器將紅墨水注入輸液管前端,連接輸液管和注射器;

(5)將上述注射器放入裝有9 W 燈泡的紙箱中,輸液管在紙箱外;

(6)在輸液管下鋪一張白紙,標(biāo)記紅色液滴的初始位置;

(7)打開(kāi)光源開(kāi)關(guān),5 min 后分別記錄每組3 只注射器中紅色液滴移動(dòng)的距離,求平均值。

4.4 分析數(shù)據(jù),得出結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù),教師引導(dǎo)學(xué)生利用Excel軟件繪制曲線圖,構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。(圖2、圖3)

圖2 不同二氧化碳濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

圖3 不同光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

學(xué)生由此得出結(jié)論,一定范圍內(nèi),隨著光照強(qiáng)度(或CO2濃度)的增大,光合作用強(qiáng)度增強(qiáng)。

設(shè)計(jì)意圖:以歸納、推理及模型構(gòu)建的科學(xué)思維為導(dǎo)向,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析并得出結(jié)論。提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建的能力。

4.5 分析交流,構(gòu)建概念

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)論,教師提出問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考:

(1)根據(jù)光合作用的原理,分析光照強(qiáng)度和CO2濃度影響光合作用強(qiáng)度的機(jī)制?

(2)若繼續(xù)提高光照強(qiáng)度或CO2濃度,光合作用強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)提高嗎?

(3)結(jié)合你們小組的探究結(jié)果,為校園溫室建立需要考慮的環(huán)境因素及采取的措施給出合適的建議。

學(xué)生通過(guò)分析得出:光照強(qiáng)度主要影響光反應(yīng)進(jìn)而影響光合作用強(qiáng)度,CO2濃度主要影響暗反應(yīng)進(jìn)而影響光合作用強(qiáng)度;且繼續(xù)增加光照強(qiáng)度或CO2濃度,由于受到暗反應(yīng)或光反應(yīng)的限制,光合作用強(qiáng)度可能不會(huì)繼續(xù)增強(qiáng);結(jié)合以上結(jié)論,校園建立溫室需要考慮光照強(qiáng)度和CO2濃度,且為節(jié)約成本,需要進(jìn)一步探究最適光照強(qiáng)度和CO2濃度。

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)問(wèn)題串的形式引導(dǎo)學(xué)生思考,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)光合作用過(guò)程中物質(zhì)和能量觀的理解,深化光合作用概念模型。同時(shí)提出問(wèn)題,將課堂內(nèi)容延伸到課外,引出進(jìn)一步探究主題。

5 教學(xué)反思

本實(shí)驗(yàn)選擇綠菊作為實(shí)驗(yàn)材料,用注射器和輸液管制成實(shí)驗(yàn)裝置,成本低,可操作性強(qiáng),且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,實(shí)驗(yàn)耗時(shí)短,可以讓學(xué)生在有限的課時(shí)中完成較為完整的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程,有助于學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。本實(shí)驗(yàn)裝置還可以探究溫度、光質(zhì)等環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響,為學(xué)生課外探究活動(dòng)提供了更多的可能。