數字化實驗創新助推植物蒸騰作用本質探究

在初中生物學教學中，探究植物蒸騰作用的本質是一項重要內容。盡管教師演示經典實驗能讓學生直觀觀察植物蒸騰作用的現象，但是對于蒸騰作用的具體發生場所及其影響因素的深入探究仍有不足。為彌補這一缺陷，筆者提出了一種結合宏觀現象與微觀結構觀察的教學方法，即利用多功能數碼顯微鏡和傳感器，將數字化實驗應用于植物蒸騰作用的教學中。這種方法不僅能夠使學生更深入地理解蒸騰作用的本質，而且有助于培養他們的探究實踐素養。《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》推薦的“植物的蒸騰失水”和“探究植物氣孔的數目和分布”兩個實驗對于學生認識蒸騰作用的主要場所和重要意義具有積極作用，但這些實驗存在耗時長、受環境影響大、過程不可視等問題。筆者整合實驗內容，調整教學順序，從宏觀到微觀、從定性到定量，幫助學生深入探究蒸騰作用背后的規律，提升他們的探究實踐素養，多視角全面理解綠色開花植物的生活方式。

一、實驗設計依據

精確的學情分析是實驗教學設計的重要依據。教師應落實《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）提出的相關教學要求，開展實驗教學助推國家課程高質量實施。初中學生正處于將日常生活經驗向科學規律轉化的過程中，尚未學習物理和化學，“物質和能量”的觀念對學生來說比較抽象，也容易混淆。多功能數碼實驗室能滿足學生進行梯度化實驗探索、探究定量實驗的需求。根據課標要求，探究植物蒸騰作用的本質是初中生物學課程“植物的生活”的重要內容。課標對其涉及的重要概念、具體內容和實施建議都有明確闡述。課標在實施建議中提到，在重視定性實驗的同時，也應該重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。因為開展定量實驗可培育學生科學思維及探究實踐素養。

國家發布了一系列指導性文件，對實驗改進方向提出了要求。教育部發布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》明確要求完善實驗教學體系、創新實驗教學方式。《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》對于探究植物蒸騰作用的本質這一實驗也提出具體要求：教師應演示“植物的蒸騰失水”實驗，讓學生課外分組參與“探究植物氣孔的數目和分布”和“探究蒸騰作用強弱與葉片面積的關系”的實驗。筆者基于學情，按照課標與教材要求，設計了一組關聯性強的探究實驗，從定性驗證現象轉化到定量探究本質，這符合生物學的發展規律[1]。

在教學中，教師常采用演示實驗驗證植物的蒸騰失水，提前做好實驗裝置讓學生觀察植物的蒸騰現象，再分析對照實驗的變量，從而得出結論。由于該實驗時間較長，教師演示過程中注重對實驗結果的分析而忽視了實驗過程[2]。要探究植物氣孔的數目和分布對蒸騰作用的影響，教材為實驗創新提供了思路。學生在閱讀教材時提出問題——水是從哪兒來的呢？針對學生的質疑，筆者以學定教，探究如何創新實驗。

二、實驗改進與結果分析

在實驗教學中，教師應關注學生能力形成的過程，做好過程性評價，培養學生獨立運用所學思維和方法去分析與解決問題的能力。為優化實驗教學方案，筆者針對學生的提問對實驗進行改進。

改進思路（如圖1）：①使用多功能顯微鏡，從宏觀現象觀察轉向微觀結構探究，觀察蒸騰作用發生的場所；②使用傳感器，引導學生從定性分析轉向定量探究，分析影響蒸騰作用的因素。

（一）使用顯微鏡從宏觀轉向微觀，認識蒸騰作用發生的結構

基于以上改進思路，筆者設計了如下的實驗教學流程：演示實驗—全班探究—分組研討—分析總結。為了切實解決學生在學習過程中遇到的問題，筆者帶領生物學興趣小組參與了一系列探究活動。在多功能數碼實驗室，筆者讓學生使用高清雙目顯微鏡觀察綠蘿葉片氣孔，并且對葉片氣孔結構進行觀察。學生觀察氣孔、認識氣孔，觀察氣孔的微觀結構，驗證蒸騰作用發生的場所。

完成基礎探究后，興趣小組的同學對植物在一天內發生蒸騰作用的強度產生了好奇。于是，筆者帶領學生在一天內，定時對綠蘿葉片的氣孔進行觀察，并對氣孔的開閉數量進行統計分析（見表1），以此探明氣孔在不同時間段開閉的變化情況。

學生借助軟件將實驗統計數據可視化后，根據圖像結果分析可知從8時到20時，綠蘿葉片的氣孔的打開率呈現先上升后下降的趨勢（如圖2）。學生結合實際情況，分析數據推斷得出結論：植物的蒸騰作用強度在一天中的不同時刻有所不同。他們進一步分析環境中的非生物因素，并提出假說：隨著時刻不同，植物的蒸騰作用強度與溫度、光照強度等非生物學因素有關。

（二）利用傳感器變定性實驗為定量實驗，理解蒸騰作用本質

在定性感知外界環境（如溫度、照度等）對蒸騰作用的影響以后，學生開始思考植物的自身是否存在影響蒸騰作用的因素。學生查閱資料后發現，在教材的思考與練習上有針對葉片氣孔數量對植物蒸騰作用強度影響的探究實驗，于是首先對教材實驗進行了驗證，并且為了更加準確地得出剩余的水量，采用量筒測量，發現植物下表皮分布的氣孔多于上表皮。

學生在實驗過程中發現兩個值得深入思考的問題：①用于密封的植物油在量筒中有些許掛壁，可能對實驗結果造成干擾；②本實驗耗時較長且易受環境影響。即使在天氣晴朗的夏季下午進行4小時的實驗，對比仍然不明顯。可繼續針對以上問題改進實驗。

怎樣才能在短時間內觀察到實驗現象且不受極端環境影響呢？應用傳感器，問題迎刃而解。傳感器是一種耗時短、可視化的精密測量儀器。不同類型的傳感器可以測量不同的物理量，連接處理器和顯示屏以后可以實時呈現動態變化情況。由于傳感器可以連續呈現數據的變化，因此實驗時間大幅縮短，受環境影響較小。本次實驗中使用了光傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器。

師生使用濕度傳感器對教材經典實驗進行了驗證。取同一植物的四根大小相同且葉片數相同的嫩枝，在有光照的正常條件下，完成如下操作：①A組葉片未做處理；②B組葉片上表皮涂凡士林；③C組葉片下表皮涂凡士林；④D組切去葉片并在切口處涂凡士林。向四個相同的錐形瓶中加入等量清水，將四組枝條分別插入四個錐形瓶中，在瓶內水面上再滴加少量的植物油，用透明塑料袋分別套在四組枝條上，扎緊塑料袋口，保證不漏氣。凡士林可用于防水，涂抹在葉片上能阻止水蒸氣從氣孔中散失。四組裝置間的變量是氣孔數量。

實驗結果：A、B、C、D組的密封袋內濕度分別為91.30%、88.66%、81.33%和60.81%。由袋內濕度A組>D組可知，植物進行蒸騰作用的主要器官是葉片。植物通過葉片散失水分，增加環境密封袋內濕度。由A組＞B組>C組可分析，葉片氣孔的數量對蒸騰作用強度有影響，且葉片上表皮的氣孔數量小于葉片下表皮，這是影響植物蒸騰作用的內因。

除了氣孔數量及分布外，環境條件（如照度）也會影響植物的蒸騰作用。興趣小組繼續利用壓力傳感器和照度傳感器進行了定量探究。對于該實驗，我們設置了強光組和弱光組對照實驗，自變量為照度（可以實時反映在照度傳感器上）；因變量為蒸騰作用強度（反映在壓力傳感器上）。在利用傳感器測定光照強度對植物蒸騰作用的影響時，學生搭建了該實驗裝置（如圖3）。當植物發生蒸騰作用產生拉力，U形管內的水會向左側移動，此時密閉環境中U形管右側空間變大，壓強減小。壓強減小的趨勢越明顯，說明此時蒸騰作用越強，由此可以判斷照度與蒸騰作用的關系。

本實驗中，學生用傳感器不僅可測量精準數據，還可使用數據分析工具與顯示屏同步分析并呈現，這樣能夠更精確地反映數據變化情況，從而更準確地分析得出實驗結論。學生按照該改進方案，實現了從定性實驗觀察現象向定量實驗探究本質的轉化。學生分析實驗數據發現，植物在強光和弱光下都發生蒸騰作用，但在強光下蒸騰作用強度更高。

三、實驗亮點

生物學是一門基于實驗探究的自然科學。為了在初中生物學教學階段滲透對生物學核心素養的培育，教師可以在實驗教學中將宏觀實驗與微觀實驗相結合，將定性實驗轉變為定量實驗，將驗證實驗轉化為探究實驗，以此豐富和優化探究實踐的方法，培養學生科學探究能力，為延展科學探究視野提供方向和思路。

科學探究在生物學教學中是一個循序漸進的過程，教師應結合具體學情，勇于嘗試，尋找和挖掘更富有創設性并符合實際的實驗探究活動，從而能更好地輔助教學，提升學生的科學探究能力。

（一）宏觀與微觀現象結合，助推學生深入理解

生物學中的生理現象是一種較為抽象的概述與表達，而生理功能的展現往往與相應的結構基礎相關。在探究蒸騰作用的實驗中，葉片是發生蒸騰作用的主要器官。然而，生物體的結構層次復雜，學生要想知其所以然，需要深入更為微觀的結構中進行實驗探究。學生利用顯微鏡等生物學實驗儀器，可進一步探索葉片的結構，以及葉片中與蒸騰作用相關的結構基礎（如氣孔），甚至觀察不同植物的“氣孔器”及不同時間氣孔開閉的狀態。教師進行多組實驗的重新設計與組合，利用科學探究手段，化抽象為直觀，可以幫助學生深入理解蒸騰作用這一植物生理現象。

（二）實驗過程與結果并重，強化學生動手實踐

植物完成相應的生命活動或展現出一定的生命現象往往耗時較長。實驗者借助傳感器可以實時監測實驗過程中數據的變化。在整個實驗過程中，教師可根據實驗數據的變化，引導學生進行相關分析。這樣既有利于學生深度學習，又有利于自主動手實踐探究，而非只觀察教師呈現的單一結果。微小影響因素如何動態展示，教師利用傳感器短時間內就可清晰地呈現。教師利用這一短時變化趨勢，可引導學生進行相應的分析，得到與傳統實驗一致的結果。這樣就大幅縮短了實驗耗時，提高實驗效率，從而延展與擴充課堂容量。

（三）定性與定量實驗結合，提高學生分析能力

教師指導學生利用量筒對蒸騰作用散失水分進行測量，對四組實驗分析比較，進一步說明氣孔在葉片上下表皮的分布情況，將定量的實驗概念結合到原本的定性實驗中，擴展了實驗探究寬度。此外，實驗者將傳感器與計算機結合，還能將不可視的實驗變化過程在顯示屏上轉化成可視dq+ab7CA7PkQX/l1m70sg4QQ2+O44Gvqf8eVsWtZjqQ=化的曲線。教師實時準確呈現照度、壓力等因素的變化情況，給學生留下深刻的印象，也更能增強實驗的說服力與可信度，彌補傳統實驗的不足。發揮傳感器靈敏度高的優勢，檢測實驗過程中的微小變化量，有助于學生對實驗的定量檢測與分析，從而提高實驗結果的準確性。

實驗中，教師指導學生借助多功能數碼顯微鏡將教材宏觀實驗與微觀觀察結合，對植物葉片在一天中不同時刻、不同位置的氣孔形態及數量進行觀察和統計，并借助濕度、壓力、照度等數字化傳感器將定性實驗與定量實驗融合，從可視化角度理解蒸騰作用的過程。數字化實驗創新既能幫助學生體驗科學探究的一般流程和方法，又能加深學生對生物學實驗原理和概念的理解，并助其深入挖掘科學現象背后的本質，更有針對性地培養學生的科學探究能力，讓學生感受技術與科學融合的魅力。

筆者對該實驗整合創新，教學效果明顯提升：學生在短時間內觀測到蒸騰作用強度的變化，并觀察到使其發生變化的結構，理解了復雜的植物生物作用的實質。數字技術的合理創新應用，有利于學生構建生物學概念建構，讓學生借助科學事實對抽象的原理有更深刻的認識。在不斷嘗試中，教師還需要優化實驗教學邏輯并拓展深度，幫助學生更有效地理解概念本質、促進探究實踐、建立科學思維。

參考文獻

[1] 張莉.傳感器在高中生物學實驗教學中的應用[J].生物學教學，2009（6）：47-49.

[2] 徐水蓮.依托數碼顯微互動系統開展生物學定量實驗的探索[J].生物學教學，2020（8）：48-50.

（作者系四川省成都市七中育才學校教師）

責任編輯：祝元志