_探究环境因素对光合作用强度的影响_实验改进与教学设计_李俐

1、34生物学通报2014年第49卷第10期“探究环境因素对光合作用强度的影响”是“光合作用”一节中可以开展的一个探究实验。该实验与生产实际联系紧密,是高中生物学实验教学的好素材,能培养和提高学生实验设计的能力。然而在实际教学中,如果按课本内容进行操作,该实验过程复杂、耗时长、很难在一节课内完成。笔者通过改进实验材料和操作方法、优化教学设计,克服了上述困难,将探究实验融入课堂教学,快速获得实验结果,收到了良好的效果。1原实验不足及改进1.1实验材料的不足及改进教材建议选用菠菜叶作为实验材料。但菠菜叶片较薄,用直径为1cm的打孔器制取的叶圆片多会卷边或破损,很难保证叶圆片大小一致,且其叶片较小,若全

2、年级开展相关实验,需要大量实验材料,延长了材料制备的时间,影响了实验进程。经过多次摸索和试验,改用青菜不结球白菜,Brassica rapa L.var.chinensis(L.kitam.代替菠菜效果较好。青菜颜色深绿,叶片大且厚,取56片等大叶片重叠,用直径为1cm的打孔器在主叶脉两侧对称、垂直打孔,可快速获得足够多的实验材料。青菜在我国广为种植,四季均能栽种,便于实验取材。1.2实验操作方法的不足及改进真空渗水法的原理是通过抽动活塞的方式降低注射器内气压,使常压下隐匿于叶圆片中的气泡变大,最后逃逸出来,而留下的空隙就会被水所占据,从而达到排除叶肉细胞间隙中空气的目的。教材建议采用此方法时

3、,需用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞,重复几次使叶圆片内的气体逸出。实际操作时,发现学生一手堵紧注射器前端并握紧注射器,另一手很难同时拉动注射器活塞,常常是堵不紧、拉不动,无法快速抽除叶圆片内的气体,影响课堂实验的进程。针对这一情况,选取医用头皮针一端连接于注射器前端,剪去另一端的针头,将软管打结达到封闭注射器的目的(图1A,见封三。这样便于用全手紧握注射器,使拉动活塞更方便。将2030枚叶圆片放入如此处理的50mL塑料注射器中,吸入3040mL清水,排出管内空气(图1B。拉动活塞至管口,维持这个动作90s,即可看到大量气泡从叶肉细胞间逸出(图1C,随即拔除注射器前端头皮针软管,水即刻进

4、入叶肉组织中,叶圆片均沉入水底(图1D。这种方法操作方便、省时,学生能在23min之内制取大量抽除气体的叶圆片,排除了因抽气时用力大小、抽气次数等不同造成不同批次叶圆片内逸出气体程度的不同,减小了实验的系统误差,提高了实验的准确性。1.3实验条件的不足及改进根据课程进度安排,大约11月份讲授该节内容,而此时已近深秋,环境温度低,生物酶活性较低,即使植物进行光合作用,因其进程缓慢,无法在短时间内获得想要的实验结果。在探究光照强度或CO2浓度对光合作用强度的影响时,温度是实验成败的关键。授课前将50mL小烧杯中盛有30mL1%NaHCO3溶液,放置在恒温水浴锅中保温,温度设置为30,实“探究环境因

5、素对光合作用强度的影响”实验改进与教学设计李俐(南京市行知实验中学江苏南京210007摘要在“探究环境因素对光合作用强度的影响”一节教学中,对实验内容进行优化、整合和开发,充分调动学生的积极性和自主创造性,改进实验材料和关键性步骤,增加实验的操作性,保证了在一节课内能有效实施探究实验,为广大师生提供新课标下探究实验课的新思路和新方法。关键词环境因素光合作用强度实验改进教学设计中国图书分类号:G633.91文献标识码:C2014年第49卷第10期生物学通报35验时再将其取出。由于水温适宜,叶圆片内酶活性较高,实验效果非常明显。2教学设计2.1教学目标1知识目标:探究环境因素对光合作用强度的影响。

6、2能力目标:在“探究环境因素对光合作用强度的影响”活动中,学会确认变量,尝试做出预期和假设;设计可行的实验方案对“环境因素对光合作用强度的影响”进行探究;运用一定的方法处理和解释数据,提高学生的图文转化能力。3情感、态度与价值观目标:在“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验过程中,体会科学实验的严谨性、科学性;通过共同探究的活动,学会与他人合作,在小组活动中提高团队合作能力。2.2教学重点和难点1重点:设计实验探究环境因素对光合作用强度的影响规律。2难点:变量分析;根据控制变量原则和对照原则设计影响植物光合作用强度环境因素的实验。2.3教学策略本节课旨在让学生体验科学探究的过程,掌握科学探究

7、的基本方法,最终能够设计“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验。但对于高一学生来说,一节课中既要能独立选材,又要学会变量控制和设计实验是具有一定难度的。因此在课前利用兴趣小组先开展“探究不同浓度CO2对光合作用强度的影响”实验,在活动中发现问题,修订探究方案,改进实验器材和实验方法。正式上课时,再将小组活动成果进行汇报,在此基础上引导学生分析“不同光照强度对光合作用强度影响”的实验思路,放手让学生进行自主设计、实验操作,借助现代化手段快速完成数据与图形的转换,构建数学模型,在探究活动中获得知识,达到知识内化和实验能力的养成。2.4教学过程2.4.1创设问题情境,激发学生探究兴趣播放一段关于粮

8、食减产的视频,教师提问“植物进行的哪项生理活动与提高粮食产量有关?”引导学生回顾已学知识,从光合作用发生条件和原料上分析影响光合速率的因素有哪些,如何影响粮食产量?让学生从原有认知基础出发,构建新知识。2.4.2明确探究要求,突破重点(活动1:“探究不同浓度CO2对光合作用强度的影响”1提出问题,作出假设。教师向学生提供“大气中各种气体所占比例”的示意图,引导学生从生产实际想到不同浓度的CO2会影响光合作用强度。学生根据常识,能提出的相关假设是:“随着CO2浓度的不断增加,植物的光合作用强度不断增强。”2理解实验原理,明确实验变量,学会设计实验。要验证假设是否正确,需要用实验数据证明。植物叶圆

9、片若发生光合作用,会产生O2存于叶圆片间隙,使叶圆片漂浮于水中。利用真空渗水法可排出叶圆片间隙中的空气,使其沉入水底。氧气在水中溶解度很小,若再次发生光合作用,氧气会在细胞间积累,使原来下沉的叶圆片上浮,所以可以根据叶圆片上浮时间的长短比较不同条件下光合作用的强弱,即将“不同浓度的CO2”作为实验自变量,“叶圆片上浮速率”作为实验因变量。3兴趣小组实验展示,记录数据,分析结果。课外兴趣小组展示课前实验设计过程,讲解实验步骤,指导学生观察不同浓度的NaHCO3溶液下叶圆片的上浮情况。提供兴趣小组的实验记录数据(见表1,引导学生对实验结果进行讨论和交流。表1不同浓度NaHCO3对叶圆片上浮时间的影

10、响由于光合作用速率越高,放出氧气越多,上浮时间越短,即两者呈负相关关系。因此以NaHCO3溶液的浓度为横坐标,上浮时间的倒数为纵坐标,利用电脑中Excel表格中的相关功能可绘制出对应的曲线,完成数学模型的构建。引导学生分析实验结果,理解不同CO2浓度对光合作用强度的影响。教会学生认真识别坐标图中纵、横坐标的含义,曲线图中起点、转折点、终点的含义,曲线与叶圆片NaHCO3溶液浓度0.5%NaHCO31%NaHCO3 1.5%NaHCO32%NaHCO3第1片第2片第3片第4片第5片第6片第7片第8片第9片第10片平均值530622812814822944101010591359163494850

11、161464164882593610301034104011238355376218318438539149399551022113185360670671773791692192511081209162793836生物学通报2014年第49卷第10期光照强度(lx 白炽灯功率(W上浮叶圆片数量(片第1组第2组第3组3150(15W 5500(25W 10850(40W 17900(60W019101591021010纵横坐标及其他曲线的交叉点等,借此对光合作用环境因素的影响做深入分析。由实验结果可以看出,选择1%NaHCO3溶液的实验效果最佳,就将此浓度的NaHCO3溶液运用到课堂实验中。2

12、.4.3实施探究活动,突破难点(活动2:“探究不同光照强度对光合作用强度的影响”1提出假设,设计实验。回顾光合作用的过程,理解光反应和暗反应是2个相互制约、相互影响的过程。CO2主要影响光合作用的暗反应,光照强度会对光反应产生较大的影响。即提出假设:“不同强度的光照会对光合作用强度产生影响”。根据提供的材料用具,在兴趣小组实验结论的基础上,放手让学生自主设计实验方案探究“不同强度的光照对光合作用强度的影响”。确定实验步骤如下:排除气体的叶圆片,制取方法如前所述。将制取的叶圆片分别放入4个50mL烧杯中,每杯10片,杯中盛有30mL1%NaHCO3溶液。烧杯置于距光源3cm处,开启台灯,分别用1

13、5W、25W、40W、60W台灯对烧杯中的叶圆片进行光照处理,并测定叶圆片处的光照强度(TASI-8720型特安斯数字式照度计,苏州特安斯电子有限公司。观察并记录在5min内叶圆片浮起的数量。以光照强度为横坐标,单位时间内叶圆片上浮数量为纵坐标,绘制相应曲线图。2分组实验,收集数据。由于对实验材料和操作方法做了一定的改进,实验效果非常明显。40W 光照强度下,有实验小组第1片叶圆片上浮的时间是224,第4片叶圆片上浮时间是257,第7片上浮的时间是341。60W光照强度下,叶圆片上浮时间更快,具体数量结果见表2。表25min内不同光照强度对叶圆片上浮的影响3构建数学模型,解读曲线。引导学生将实

14、验数据求平均值,利用电脑中Excel软件中的相关功能绘制出对应的曲线,完成数学模型的构建,分析实验结果,总结不同光照强度对叶圆片上浮的影响。根据上述结果,绘制曲线如下(图2。图2光照强度对叶圆片上浮的影响从图中结果分析看出,在一定的范围内,随着光照强度的增加,叶圆片上浮数量增加,光合作用强度增加。4延伸拓展,质疑探究。实验过程中部分小组在40W和60W光照条件下的叶圆片上升很快, 10片叶圆片几乎都在4min内全部上浮至液面顶部。针对课堂上出现的问题,引导学生进行质疑探究,分析可能是因为所用灯泡为白炽灯,它将绝大部分的能量转化成为热能,40W或60W灯泡的散热都较多,对实验结果影响较大。针对此

15、情况,有的学生提出用LED灯取代白炽灯的建议,因为LED灯可将绝大多数电能转化为光能,一个10 12W的LED光源发出的光能与一个3550W白炽灯发出的光能相当,较好地避免了实验过程中白炽灯散热导致水温上升的问题。同时,在探究了CO2浓度、光照强度对光合作用强度的影响效果后,很多学生跃跃欲试,想进一步探究是否还有其他因素对光合作用强度存在影响。教师提供资料提示不同光质对光合作用也有一定的影响。而LED灯光谱窄,单色性好,无需过滤可直接产生单色可见光,正是进行光质影响实验的良好材料。2.5教学反思在教学过程中,对教材资源进行合理改进,有效解决了教学实际中的若干问题,使取材更加容易、操作更为简单,

16、实验效果直观,较好地达到了教学目标。在课堂上,学生亲历材料选择、方法改进、实验设计、实验操作和结果分析等一系列探究活动过程,任何一个学习目标的达成,均是通过学生自己观察、探索和总结,这样的学习过程自觉主动、充满乐趣,充分体现了学生的主体作用。充分运用现代化手段,如Excel的统计和制图功能,在得出实验数据的同时可将其转化成一定的数学模型,使其所包含的生物学知识简约化、 直2014年第49卷第10期生物学通报37 !观化。这一过程不仅训练了学生的思维,也使学生在看到自己的实验结果与书本上例图几乎一样时,大大提升了他们的自信心,并在感受到科学研究严谨的同时也体会到探究过程并不是深不可测的,从而提高

17、了学生的学习兴趣,让他们对科学探究愈来愈渴望。所以当实验结果出现此许问题时,学生因地制宜、大胆创新,想到了许多应对和改进的方法,取得了较好的教学效果。主要参考文献1唐伟斌,周敬华,李立婵.“光合作用”实验的改进.生物学教学,2006,31(7:5455.2毛安福.探究环境因素对光合作用强度的影响实验设计例析.生物学教学,2010,35(10:4850.(E-mail:lilydengyif57探究性学习是中学生物学教学中倡导的学习方式。通过探究,学生不仅可以构建生物学的基本概念和原理,还能够在问题的解决过程中形成多方面的探究能力。对于学生而言,探究的过程和结果是发现和“发明”的过程,充满着诸多

18、的未知和疑惑;对于教师而言,探究的课堂是动态和发展的过程,充满着众多的变化和不确定。而这些正是激活思维、生成智慧,使课堂充满生命活力的有利条件。“凡事预则立,不预则废(礼记·中庸。”预设是探究教学的基本特性,是保证教学质量的基本要求。但是,仅有“刚性”预设的课堂,看似严谨却缺乏活力,难有生成,流失了很多的人文气息和创造精神。那么,生物科学探究中究竟需要什么样的预设,该怎样预设从而促进生成?1开展预实验,周密预设探究各环节预实验是指在学生正式实验之前教师先做一次实验。它可以摸索实验条件,为教学的动态生成提供切入点;对探究教学中的设疑、假设、方案进行反复分析和推敲,对实验器材、方法、步骤进行改进、完善和创新,使其灵活多变,富有弹性;充分考虑实验现象和结论可能会有哪些不同,学生在实验设计时可能有哪些想法,实验操作中可能会出现哪些问题,会有哪些异常实验现象,实验失败的可能原因,如何给创新思维和动态生成留足时间和空间等1。预实验能够使教师周密预设探究活动的各个环节,有备而来,顺势而导,从而提高实验生成的质量和水平