“光合作用”中考复习课的教学设计

裘 英 田树青 王 薇

（1 北京市丰台区第八中学 北京 100071 2 北京教育学院丰台分院 北京 100073）

《义务教育生物学课程标准（2011 版）》提出“面向全体学生、提高生物科学素养、倡导探究性学习”的理念。在“光合作用”中考复习课的教学中，创设“天宫二号”种菜这一真实问题情境，启发学生回顾光合作用的相关知识，并提出装置设计思路。学生在已有的光合作用实验研究和学习的基础上，提炼实验设计的基本思路和通理通法，在新的问题情境中，运用相关原理和实验设计原则，讨论可行的实验方案并进行实践，提升对原有核心概念和实验设计原则的理解。

1 教学背景分析

1.1 教材分析 “绿色植物的光合作用”在北京2018年中考《考试说明》“知识考核内容”要求为II 级，即要求理解光合作用所列知识内容与其他相关知识内容之间的内在联系，并能在复杂的情境中综合运用，进行判断、分析、解释、推理和评价。在“实验考核内容”中明确列出了“探究光合作用的条件、原料和产物”这一实验及其对应的科学探究要求条目。可见，该教学内容是初中学段重要的学习内容和考试评价内容之一。

初中阶段对于光合作用的学习聚焦植物个体水平和宏观现象研究，既有科学史上的经典实验，也有学生易于完成的实践探究活动作为支撑，是学生在高中学段进入细胞水平学习光合作用过程的基础。在绿色植物个体水平上学习光合作用过程和原理，符合初中阶段学生的认知水平，对学生理解植物体的生命活动、植物与环境的关系，以及绿色植物与人类生存、 发展等关系具有重要的意义。所以，从知识的角度看，光合作用的原理是复习的重点；从研究方法和实验设计原则的角度看，科学史中的二手资料探究和学生实验实践活动需要提炼和加工，是突破科学探究和实验设计这一复习难点的良好载体。同时，学生小组讨论和组间交流，可不断完善实验设计方案，引导学生体会探究与合作的乐趣，鼓励学生利用已有的光合作用相关知识和实验设计方案解决“天宫二号”种菜这一真实问题，有助于发展学生的科学思维水平，提高其社会责任意识。

1.2 学情分析 学生初一时对“绿色植物的光合作用”内容已形成基本概念，对科学探究过程也有初步体验。但在中考复习时，因距离新课学习的时间较长，学生对这部分知识在一定程度上已有所遗忘，不能很好地将知识应用到实际生产生活中，对相关的光合作用探究实验设计、现象、结论的认识还不够深刻，迁移能力较弱。

2 重要概念

2.1 绿色植物能利用太阳能（光能），把二氧化碳和水合成贮存了能量的有机物，同时释放氧气。

2.2 科学探究需要通过观察和实验等多种途径获得事实和证据。一项观察或实验重复的次数越多，获得准确结果的可能性越大。科学探究既需要观察和实验，又需要对证据、数据等进行分析和判断。科学探究需利用多种方式呈现证据、数据，例如采用文字、图表等方式表述结果，需要与他人交流和合作。

3 教学目标

1）知识目标：阐明绿色植物的光合作用过程；明确实验变量和实验设计原则。

2）能力目标：选择恰当的实验材料；设计对照实验；发展科学探究能力；通过实验条件的控制获得可靠的实验数据（证据）作为检测指标，理解自变量和因变量的关系；分析实验数据，作出推理和判断，得出结论。

3）情感态度与价值观目标：体验科学探究设计和实践过程中的乐趣； 参与实验设计方案的讨论，与伙伴交流讨论，体会合作的重要性；认同光合作用研究的价值，增强民族自豪感。

4 教学过程

4.1 创设复习课问题情境 教师播放新闻视频，并介绍：天宫二号空间实验室，是继天宫一号之后中国自主研发的第2 个空间实验室，2016年9月16日发射升空。宇航员有一项特殊的任务——“种菜”，景海鹏和陈冬在1 个月的时间里，栽培了生菜这一生活中十分常见的蔬菜。

问题1：太空种菜与校园或居室中种菜哪个更容易？

问题2：在太空这样的特殊环境条件下，应如何设计装置保证生菜的正常生长？

学生经过讨论，聚焦解决该问题需考虑植物光合作用的条件和影响因素，从而进入基础知识的复习环节。

4.2 唤起回忆，储备实验设计所需的知识

4.2.1 策略1：利用光合作用反应式，回顾重要概念 教师提供术语磁贴，包括光能、叶绿体（贮存能量）、条件、水、氧气、原料、淀粉、二氧化碳、场所、产物等，要求学生利用这些名词，加上适当的连接符（加号、箭头等），构建光合作用的反应式。学生在学案上撰写，同时请一位学生在黑板上将写有相关名词的字条按照正确的顺序粘贴（图1）。

图1 光合作用的反应式

学生完成此任务时出现的问题集中在“物质变化”与“能量变化”不分，表现为光能和储存能量2 个磁贴的位置摆放错误，教师针对学生表现的问题与学生进行讨论和纠正。该问题与课前预设一致，因为学习新课时，学生尚没有化学、物理学等基础，在理解光合作用过程时更多的是机械记忆，通过复习课可提升学生跨学科理解重要概念的意识；同时，这也是生物学科渗透物质与能量观念的好素材。

4.2.2 策略2：利用实验装置图和动画，回顾重要实验 教师提供光合作用科学史或学生实验装置图片磁贴，让学生将磁贴对应在光合作用反应式中相应的位置，引导学生体会光合作用研究中的每一步都是有实验依据的。图片有助于学生回顾实验结果和现象，例如探究光合作用产生淀粉的实验（图2、图3）。

图2

图3

从考试评价的角度分析，学生还需掌握一些经典实验的操作过程细节和原理依据，磁贴这种静态图片无法达到理想效果。教师利用“京版云”平台上的动画，与学生一起回顾经典实验目的、步骤、现象和结论。

在复习学生熟知的实验过程中，利用具体实验例证引出自变量、检测指标与因变量的概念，引导学生理解实验设计的一般方法，即自变量是实验中人为控制的变量，例如对叶片进行局部遮光处理，有光/无光就是自变量；检测指标是实验中出现的现象，例如局部遮光的叶片在照光之后经脱色处理，滴加碘液，有的区域变蓝，有的不变蓝，遇碘变蓝/不变蓝就是检测指标；因变量是实验中由于自变量的作用而发生改变的变量，例如叶片变蓝的部分有淀粉生成，反之则无，有淀粉/无淀粉就是因变量。探究实验的设计就是人为控制自变量，观察自变量导致检测指标的变化；检测指标的变化反映因变量的变化，由因变量的变化看自变量对因变量的影响。

在新的问题情境中，迁移已有的实验原理和思路，开展创新性实验设计是以这样的实验设计一般方法为基础的，这是本节复习课的难点，也为后续实验设计的思维制高点搭设平台，保证更多的学生可以顺利地迈上新的台阶。

4.3 亲历探究过程，迁移重要概念和尝试运用实验一般方法

4.3.1 确定探究课题 教师提供研究性学习小组学生发现有一种化学试剂BTB（溴麝香草酚蓝）水溶液颜色变化可反映水中二氧化碳含量变化，原理如图4所示。

图4 BTB（溴麝香草酚蓝）水溶液颜色变化

为提高课堂教学的参与性，也为后续探究活动做准备，课堂上组织学生进行实验操作，体验实验原理。具体过程包括：先慢慢向溶液内吹气，观察颜色变化；溶液变成绿色，再用力吹，直到溶液不再变色。学生在操作过程中观察到，随着吹气的增加，溶液由蓝变绿，再变成黄色，从而体会BTB溶液的颜色随二氧化碳浓度增加而产生的变化。

教师在体验后追问2 个问题，设问的目的在于检查学生对本实验材料和原理的理解。

问题1：向BTB 水溶液中吹入气体，呼出的气体与吸入的空气相比有什么不同，而使BTB 水溶液变为黄色？引导学生正确理解由于呼出的气体与吸入的空气相比含有较多的二氧化碳，使BTB水溶液变为黄色。

问题2：充满二氧化碳的水就好像“探究光合作用产生氧气”的实验向水中放入适量的碳酸氢钠的作用。能否用充满二氧化碳的BTB 溶液帮助探究光合作用？引导学生理解由于呼出的气体与吸入的空气相比含有较多的二氧化碳，使BTB 水溶液变为黄色。二氧化碳浓度的变化，无法用肉眼感知，借助BTB 二氧化碳饱和溶液的颜色变化能观察二氧化碳浓度的改变，因此充满二氧化碳的BTB 水溶液可用于“探究光合作用吸收二氧化碳”，由此确定了探究课题：探究光合作用吸收二氧化碳。

4.3.2 讨论实验方案 教师提供分组剪贴图作为模拟材料用具，让学生选择恰当的剪贴图（图5），表达本组设计实验方案。设计目的是在实验条件、材料选择和对照设计方面提供半开放的空间，供学生选择和讨论。

图5 材料用具剪贴图

活动要求：①各组要有目的地挑选资源（图片）设计实验，用剪贴图呈现设计思路，并能分析说明各个图片代表的意义； ②在描述本组的实验设计时，请这样组织语言：该组控制_______ 条件（自变量）；观测__________ 变化（观测指标）；反映______ 变化（因变量）；说明______ 问题（结论）。

第1 种学生方案（图6）：该组的实验是探究绿色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了有/无植物的自变量，观测黄色的BTB 溶液是否变蓝色的检测指标，反映因变量二氧化碳浓度的变化，若有植物的1 号试管变蓝，无植物的2 号试管没有变蓝，则反映了1 号试管二氧化碳浓度降低；2 号试管二氧化碳浓度没有变化，说明光照不能使BTB 溶液变色，BTB 溶液由黄变蓝的原因是绿色植物在光下吸收二氧化碳。

图6 实验装置

图7 实验装置

第2 种学生方案（图7）：该组的实验是探究绿色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了有光/无光的自变量，观测黄色的BTB 溶液是否变蓝色的检测指标，以反映因变量二氧化碳浓度的变化，若有光的1 号试管变蓝，无光的2 号试管没有变蓝，则反映了1 号试管二氧化碳浓度降低；2 号试管二氧化碳浓度没有变化，说明植物的生命活动（呼吸等）不能使BTB 溶液变色，BTB 溶液由黄变蓝的原因是绿色植物在光下吸收二氧化碳。

第3 种学生方案（图8）：该组的实验是探究绿色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了植物多/少的自变量，观测黄色的BTB 溶液是否变蓝色的检测指标，以反映因变量二氧化碳浓度的变化。若无植物的1 号试管不变蓝，有植物的2 号试管、3 号试管、4 号试管变蓝的速度越来越快，则反映了1 号试管二氧化碳浓度不变，2 号试管、3 号试管、4 号试管的二氧化碳吸收速度越来越快，说明绿色植物越多在光下吸收二氧化碳越快。

图8 实验装置

从以上3 种实验方案看，学生均能明确自己研究的自变量、因变量，实验设计符合探究实验设计的基本原则，但从实验探究目的考虑，对照不全面或不相符，可相互借鉴、加以修改和完善。

基于学生的讨论，教师提出第4 种方案：1 组和2 组分别考虑到光合作用的重要因素——光和植物，是否能将这2 个因素在一组装置中同时体现？教师出示一套实验设计装置（图9），并提出问题，引导学生思考讨论。

图9 实验装置

教师引导学生分析： 设置1 号试管的目的是探究绿色植物在光下吸收二氧化碳； 设置2 号试管的目的是探究光照能否使BTB 水溶液变色；设置3 号试管的目的是探究在无光的情况下植物是否吸收二氧化碳，所以学生认可这套实验装置更好，只用3 支试管就完成了2 组实验，并符合科学探究实验的单一变量原则和对照原则，实验结果准确可靠，令人信服。该过程没有否定任何一组的实验设计方案，而是保留合理的部分，去粗取精，增强学生的实际获得感，体会在合作与讨论中完善实验方案的乐趣。

师生共同完成实验预期：1 号试管的BTB 水溶液由黄色变蓝色，2 号试管不变色，3 号试管也不变色，即表明只有1 号试管内的绿色植物吸收了二氧化碳，进行了光合作用。

4.3.3 完成实验操作 学生分组按照已讨论的实验方案进行操作，全班学生的1 号和2 号试管均放在距中央光源20cm 的同心圆上（图10），3 号试管放在暗箱中（图11）。放置好试管后，打开光源，关闭暗箱门，进行实验（图12、图13）。

由于实验结果需要一定的时间，课上展示上一个班的实验结果（图14、图15），实验结果正如预期，因此得出结论，并引导学生用科学探究的规范用语分析实验： 实验探究绿色植物是否在光下吸收二氧化碳，控制了有光无光和有无植物的自变量，观测黄色的BTB 溶液是否变蓝色的检测指标，以反映因变量二氧化碳浓度的变化。结果显示，在有植物并有光照的试管中，BTB 水溶液颜色由黄变蓝，从而得出绿色植物在光下吸收二氧化碳的结论。

4.4 回扣问题情境，总结提升复习要点 教师引导学生反思所做的科学探究与科学家的研究工作是类似的，其本质都是人为控制的自变量对因变量的影响。进行实验探究应该明确实验目的、设置自变量、选择检测指标、通过检测指标推理出因变量的变化，从而得出结论。

本节课复习了光合作用原理及科学探究的一般方法，如何帮助科学家解决了太空种生菜的问题？此处回扣课前情境。在太空的环境下，如何设计装置种植生菜？在太空种植进行实验探究时应注意哪些问题？学生根据讨论，明确空气、温度、光照等作为人为控制的自变量，生菜生长状况作为因变量，可以观察和测量。

5 教学反思

本节课引入实验探究中的自变量等概念，以及探究实验的设计，在应用的层面复习光合作用的重要概念，提升学生的科学探究能力，从而突破本节课知识和学科研究方法上的重、难点内容。引入自变量、观测指标和因变量的概念，引导学生在熟悉的情境中（已做的实验）理解这3 个概念在科学探究实验设计中的作用，厘清三者的关系，提升对实验设计基本原则的理解，并在新的问题情境中，利用BTB 检验二氧化碳浓度的变色反应，引导学生有效选择适合的材料，设计探究实验方案，积极寻求有效的问题解决方法。利用概念模型，引导学生描述自己的实验设计，用规范性语言进行表述和交流，由此，给学生的思维过程搭建了台阶，使学生的逻辑思维推理规范化，并启发学生从特殊到一般进行归纳总结，寻找进行实验探究的过程和方法，运用科学探究的一般方法解决实际问题。

教师引导学生反思自己的实验探究与科学家的实验设计相同之处，引导学生认识到科学史上经典实验的重大启迪，并结合学生熟知的实验，提炼实验设计的一般方法，促进实验设计思路和方法的迁移。通过对证据进行观察、比较、分析、综合、抽象与概括，学生真正理解和掌握了科学探究的重要规律和原理，养成理性思维习惯、科学的思维方式，达成了本节课的教学目标，具有借鉴意义。