“探究環(huán)境因素對葉圓片光合作用的影響”實驗教學(xué)設(shè)計

馬素云 彭 艷

(杭州市富陽區(qū)江南中學(xué) 浙江杭州 311421)

1 教材分析及設(shè)計思路

“光合作用將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能”是浙科版教材《必修1·分子與細(xì)胞》第三章“細(xì)胞代謝”第五節(jié)的內(nèi)容。細(xì)胞代謝是抽象的過程,而實踐觀察的機會相對較少,學(xué)生很難從平時生活中獲得植物光合作用直接證據(jù)。本項目的教學(xué)依托本校開設(shè)的校本選修課,利用簡單實驗裝置,引導(dǎo)高一學(xué)生通過探究光照強度、CO2濃度和光質(zhì)對菠菜葉圓片光合速率的影響,通過提出問題、觀察、設(shè)計并實施實驗和數(shù)據(jù)分析討論,讓學(xué)生體會細(xì)胞生命活動中的物質(zhì)和能量變化,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的一般方法并訓(xùn)練科學(xué)思維。

2 教學(xué)目標(biāo)

(1)通過探究活動學(xué)會實驗設(shè)計的方法,能體會實驗中控制變量的重要性,構(gòu)建光照強度、CO2濃度和光質(zhì)對光合速率影響的數(shù)學(xué)模型,理解環(huán)境因素對光合作用的影響。

(2)通過分析環(huán)境因素對光合速率影響的數(shù)據(jù)模型,發(fā)展歸納與概括、模型與建模的科學(xué)思維能力。

(3)通過探究活動體會科學(xué)研究中嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度,提高學(xué)科興趣,形成共同合作的精神。利用實驗結(jié)論指導(dǎo)和解決生產(chǎn)實踐問題,提高社會責(zé)任感。

3 教學(xué)過程

3.1 關(guān)注生產(chǎn)實踐,提出問題

教師首先播放視頻:本地特色農(nóng)業(yè)——大棚葡萄種植,涵蓋15 個品種、種植面積達4000 畝,每年舉辦葡萄節(jié)吸引眾多游客參與葡萄采摘和觀光旅游等。接著,教師提出問題:①農(nóng)戶通過改變哪些環(huán)境條件能提高葡萄產(chǎn)量? ②陰天或晚上如何提高光合作用強度? ③如何提高大棚內(nèi)CO2濃度? ④為什么大棚用的是白色薄膜?

設(shè)計意圖:教師通過播放當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)有關(guān)視頻,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。讓學(xué)生關(guān)注農(nóng)業(yè)發(fā)展,并結(jié)合所學(xué)知識嘗試解釋生產(chǎn)中的問題。

3.2 明確目的,探究準(zhǔn)備

為引導(dǎo)學(xué)生理解實驗設(shè)計要點,教師設(shè)計如下問題串:葉片含有氣體在水中上浮,經(jīng)抽真空處理的葉圓片會沉到水底,光合作用會釋放O2,葉圓片上浮時間與光合速率有什么關(guān)系? 本系列實驗的自變量有哪些? 如何控制各個自變量? 無關(guān)變量有哪些? 因變量是什么?

學(xué)生經(jīng)初步實驗并討論后呈現(xiàn)結(jié)果:由于葉圓片光合作用會產(chǎn)生氧氣,光合速率越大上浮所用時間越短,上浮時間與光合速率呈負(fù)相關(guān)。以“探究光照強度對光合速率影響”為例,自變量是光照強度,學(xué)生可通過改變燈泡與葉圓片之間距離或不同功率燈泡控制自變量。無關(guān)變量包括溫度、CO2濃度、選用植物的種類、葉圓片的面積大小、葉齡等。為了減少自然光對實驗影響,本實驗裝置是裝有不同功率白熾燈的紙箱。探究CO2濃度(光質(zhì))對光合速率影響自變量是CO2濃度(光質(zhì)),無關(guān)變量包括光強度、溫度等。

針對如何提供CO2濃度學(xué)生嘗試了用NaHCO3溶液分解產(chǎn)生CO2或人工吹氣法兩種方法。通過實踐發(fā)現(xiàn),吹氣時間長學(xué)生頭部缺氧而導(dǎo)致頭暈,所以選用NaHCO3提供CO2。確定CO2濃度時,初步嘗試將菠菜葉圓片置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3% NaHCO3溶液,發(fā)現(xiàn)葉片在3% NaHCO3溶液中無法下沉,最終選用0.5%、1.0%、1.5% NaHCO3進行實驗。關(guān)于控制光的顏色,學(xué)生通過親手操作決定用玻璃紙包裹燈泡。本實驗的因變量是單位時間單位葉面積O2釋放量,具體觀測指標(biāo)為葉圓片上浮的時間或者相同時間內(nèi)上浮的葉片數(shù)。

設(shè)計意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生進行實驗設(shè)計,明確自變量、因變量和無關(guān)變量。學(xué)生通過動手操作體會科學(xué)研究過程可能遇到的問題并解決問題,初步確定實驗方案,發(fā)展學(xué)生實驗探究的能力。

3.3 分組實驗,實驗記錄

3.3.1 葉圓片預(yù)處理

學(xué)生共4 組分別編號A、B、C、D。為了縮短課堂時間,各組組長提前處理葉圓片。學(xué)生取新鮮菠菜葉,用打孔器打出若干直徑為0.5 cm 的葉圓片,打孔時注意避開大的葉脈。學(xué)生將多枚葉圓片放入注射器內(nèi),注射器吸入一定量清水并排出里面的空氣,然后用手指堵住注射器前端小孔,把活塞用力向后拉,活塞拉到最大移動距離保持10 秒鐘,使注射器內(nèi)氣壓降低,導(dǎo)致葉肉組織中的空氣排出,迅速放開堵住小孔的手指,水進入葉肉組織。學(xué)生重復(fù)操作多次,使葉片沉入水底,并將下沉的葉片連同水倒入燒杯a中,燒杯a 置于黑暗處待用。

3.3.2 實驗步驟

實驗一:測定不同光照強度及不同CO2濃度對光合速率的影響

①室溫(20 ℃)下,A、B、C 組分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5% NaHCO3溶液進行實驗。②每組在容量50 mL 燒杯b 中加NaHCO3溶液40 mL。③用鑷子將10 片處理過的葉圓片放入燒杯b 中。④將燒杯b 置于裝有白熾燈的紙盒同一位置,A、B、C 組分別在燈泡功率為9 W、16 W、25 W 的光照下測定葉圓片上浮所用時間。⑤對測量獲得的數(shù)據(jù)進行記錄并填在表1,分析實驗結(jié)果。

表1 不同光照強度和NaHCO3濃度處理下葉圓片上浮時間(min)

實驗二:測定光質(zhì)對光合速率的影響

①室溫(20 ℃)下,D 組在燒杯b 中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% NaHCO3溶液40 mL。②用面積相等、厚度相同的無色、藍色、紅色、綠色的玻璃紙包裹燈泡。③用鑷子將10 片處理過的圓形葉片放入燒杯中b。④將燒杯置于裝有25 W 燈泡的紙盒同一位置,記錄10 分鐘、20 分鐘、30 分鐘上浮葉圓片數(shù)并填在表2中,分析實驗結(jié)果。

表2 不同光質(zhì)處理下葉圓片上浮數(shù)量

設(shè)計意圖:通過分組合作培養(yǎng)實驗操作能力和團隊合作精神,引導(dǎo)學(xué)生將實驗結(jié)果準(zhǔn)確記錄到表格,使學(xué)生體會科學(xué)研究的一般方法,并發(fā)展科學(xué)探究能力。

3.4 數(shù)據(jù)分析,構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

學(xué)生如實記錄實驗數(shù)據(jù)(表1、表2),并用Excel軟件處理所得數(shù)據(jù)并繪制表1 的數(shù)據(jù)柱形圖(圖1)。

圖1 不同光照強度和NaHCO3濃度對光合作用的影響

學(xué)生分析討論數(shù)據(jù):從表1 和圖1 中可以看出在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5% NaHCO3三種溶液中,隨著光照強度的增加所有葉圓片上浮的平均時間越來越短。9 W 光照強度下,隨NaHCO3濃度增加所用葉圓片上浮所用時間越來越長。光照強度為16 W 或25 W時,NaHCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和1%所用葉圓片上浮所用時間相差不大,并且明顯短于1.5% NaHCO3條件下所用時間,分析可能是較高濃度的NaHCO3溶液在一定程度上使葉圓片發(fā)生滲透失水從而影響光合作用。因此,通過本實驗可得出,在所選擇的條件中葉圓片光合作用最合適的條件是25 W、0.5%或1%NaHCO3溶液。

由表2 可以看出,相同時間內(nèi)藍色和紅色光處理的葉圓片上浮數(shù)量明顯少于白光,綠光處理的葉圓片在30 min 內(nèi)上浮數(shù)量為0,與教材中植物主要吸收藍紫光和紅光相吻合。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考并回答問題:①為什么每組實驗的葉圓片要放多枚? ②表1 數(shù)據(jù)處理能否換成一定時間內(nèi)(如:5 min)葉圓片上浮數(shù)量? ③光強度、CO2濃度和光質(zhì)分別直接影響光合作用過程的哪些過程? ④影響光合速率的是單一因素還是綜合因素? 一天中不同時間段(不同季節(jié))哪些是影響植物光合作用的主要因素,這些因素如何影響光合作用?

設(shè)計意圖:在探究實驗的基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生對光合作用進行思考與拓展,同時應(yīng)用Excel 軟件對數(shù)據(jù)記錄并分析,培養(yǎng)學(xué)生從多角度分析實驗結(jié)果的習(xí)慣,通過數(shù)學(xué)模型分析形成具有邏輯的知識鏈,提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3.5 聯(lián)系生活,落實責(zé)任

教師引導(dǎo)學(xué)生回到生產(chǎn)實踐中針對如何提高大棚葡萄產(chǎn)量進行總結(jié)。學(xué)生總結(jié):陰天或雨天可用白色燈光補光提高光合作用,夏天晚上適當(dāng)降溫減少葡萄呼吸作用消耗的有機物。此外,可以通過適當(dāng)通風(fēng)、增施農(nóng)家肥或棚內(nèi)養(yǎng)殖家畜提高棚內(nèi)二氧化碳濃度,成本較低且有效。植物光合作用吸收的主要是太陽光的可見光中的藍紫光和紅光,大棚用白色薄膜能使自然光均透過薄膜。

4 教學(xué)反思

開展探究式實驗教學(xué)是落實生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑。教師結(jié)合教材活動“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”,以本地葡萄種植為情境設(shè)置問題,激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問題的興趣,鼓勵學(xué)生嘗試設(shè)計實驗并小組合作實施。實驗中,教師引導(dǎo)學(xué)生重視變量控制,使學(xué)生體會科學(xué)研究工作需要扎實理論知識和規(guī)范的實驗操作技能。此外,通過科學(xué)記錄、處理和分析實驗數(shù)據(jù),培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)思維,并將所學(xué)理論知識用來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。在此過程中,學(xué)生更好的理解生命觀念并建立社會責(zé)任。