“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验教学设计

王 菁

(江苏省天一中学 无锡 214101)

1 教学内容分析及教学目标

“探究环境因素对光合作用强度的影响”是人教版高中必修1模块第5章第4节“光合作用”的内容，是高中阶段为数不多的定量分析实验之一。该实验内容丰富，在动手操作、数据分析和联系生活实际等方面具有较高价值，是理论到实践应用的桥梁。而从学习者方面来看，学生已经掌握了光合作用的原理和过程，在探究植物细胞的吸水和失水、影响酶活性的条件等实验时，已经掌握了探究实验设计的基本原则和方法。基于以上对教材和学习者实际情况的分析，以及对高中生物核心素养相关精神的解读，笔者制定了如下实验教学目标： 学生学会确认变量，能够设计可行的实验方案进行探究实验，运用一定的方法处理和解释数据，提高图文转化能力，逐步发展科学思维。

2 教学准备

2.1 制作阶梯式实验装置(图1) 该装置是用透光性良好的亚克力材料制作而成的，分三层，从第三层开始，高度分别是15cm、 30cm、 45cm。底部平行排列了三条LED光源，由一个开关控制。打开开关，通过控制距离光源的远近来控制光照强度这个自变量。每一层支架长度均为45cm，在同一层上可以放置4个装有不同浓度的NaHCO3溶液(NaHCO3提供CO2)的小烧杯，所以该实验装置可以同时探究CO2浓度对光合作用强度的影响。

图1 阶梯式光合作用探究实验装置

2.2 预实验 兴趣小组的学生收集不同CO2浓度下光合强度的数据，初步确定最佳NaHCO3浓度在1%附近(NaHCO3提供CO2)，用溶解氧传感器和数据采集器采集数据。随后，采集校园植物棉花叶、番薯叶、常见蔬菜青菜、落葵等作为实验材料，比较发现落葵叶片是理想的实验材料： 叶片大、厚、叶脉细且叶绿体含量丰富。

2.3 设计探究活动单 在实验开始前，制作好探究活动单(表1)，让学生按照活动单规定的内容步骤设计实验。

表1 “探究环境因素对光合作用强度的影响”探究活动单

2.4 材料和用具准备 打孔器，注射器，烧杯，1%NaHCO3溶液，磷酸缓冲液，落葵叶片等。

在1%附近配置等浓度梯度的NaHCO3溶液(小组合作配制)。学生制备脱气叶片： 用直径1cm的打孔器打出足够数量的小圆叶片。利用注射器制造负压，排出叶片中一部分气体，使其可以下沉，放在暗处备用。

参照李俐的方法[1]对注射器进行了改进，将医用头皮针连于注射器前端，用夹子夹住，便于双手紧握注射器，方便拉动活塞(图2)。

图2 改进后的注射器

3 教学过程

3.1 创设情境，设疑导入 播放一段关于新疆吐鲁番盛产中国最甜葡萄的视频，提问： ①植物进行的哪项生理活动与提高作物产量有关？②主要的外界影响因素有哪些？

设计意图： 引导学生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，从原有知识基础出发，构建新知识。

3.2 师生互动，确定探究思路 具体步骤如下：

(1) 如果我们探究光照强度对光合作用强度的影响： 自变量是什么？如何设置？因变量是什么？如何检测？无关变量有哪些？如何控制？学生小组讨论并回答。

设计意图： 回顾实验设计相关的基础知识，为本节探究课的开展奠定知识基础。

(2) 如果我们利用自制阶梯装置探究光照强度对光合作用强度的影响，自变量是如何设置的？如何检测因变量？学生回答： 通过距离光源的远近设置自变量。通过小圆片上浮时间检测因变量。

设计意图： 利用课堂的现成资源，增加学生对变量设置的感性认识。

(3) 利用这一装置能否探究CO2浓度对光合作用强度的影响？学生回答： 能。在同一光照强度下设置等浓度梯度的NaHCO3溶液。

分析总结： 这一实验装置可以同时探究光照强度和CO2浓度两种环境因素对光合作用强度的影响。

(4) 学生小组合作完成“探究活动单”，小组间相互评价和完善实验探究方案。

设计意图： 以“探究活动单”的形式让学生在没有任何限制的条件下思考并讨论，这样充分发散了学生的思维，锻炼并发展了学生的探究能力。

3.3 课堂实验，记录数据 具体步骤如下：

(1) 打开电源，开始计时。考虑到偶然因素的影响，只需记录每个小烧杯中8片小圆叶片的其中6片上浮到水面所用时间即可。

表2 光照强度和CO2浓度对光合作用强度的影响实验结果

(2) 学生观察并设计表格记录数据(表2)。

设计意图： 将抽象的实验过程和原理具体化，让学生直观地体验实验过程。

3.4 分析数据，得出结论 首先将叶片上浮时间取倒数×10-3，转化为光合作用相对速率，然后指导学生将实验数据用EXCEL或SPSS等数据处理软件转化为图文[2](图3)。实验结果表明与理论预期相符，为下一节课的理论教学奠定了基础。

图3 CO2浓度和光照强度对光合作用速率的影响

3.5 课堂延伸 根据实验结果提出在农业生产中可能的增产措施，让学生的思维得以延伸，检验学习效果，继续发展学生的探究能力。

4 教学反思

本实验充分体现了实验的性质和实践的内涵，发展学生的探究精神和理性思维。由于白炽灯会散发热量而带来温度影响；采用新型的LED光源(灯条)则消除了温度变化对实验结果的影响。以往在有限的一节课中，只能完成某一种环境因素对植物光合作用强度的影响，本实验装置利用叶片上浮时间反映O2释放速率，同时兼具光照强度和CO2浓度2个变化的环境因素,可以更好地指导教学。本实验设计符合STEM课程的教学理念，把学生学习到的科学知识与工程、技术和数学完美结合，有利于创新型人才的培养。