聚焦实验教学、发展科学思维——以光合作用第一课时为例

胡海明 叶惠良

（浙江省宁波市第二中学 浙江宁波 315010）

1 设计思想

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。科学思维是生物学核心素养“能力”因素的关键部分，是科学探究的基础，需要在科学探究中磨砺。科学探究是生物学作为科学的重要特征，是概念形成的途径，也就自然成为观念建立的途径。下面以光合作用第一课时为例，通过以实验探究活动为特点的主动学习，来提高学生的科学思维和科学探究素养。

2 背景分析

2.1 教材分析

“光合作用”是浙科版高中生物必修一第三章第五节的知识点，既是对前面学过的知识如细胞器、吸能反应和放能反应、能量通货ATP等知识的复习巩固，又是学习必修三生态系统中生产量、物质循环、能量流动以及选修三生态农业等知识的基础。

教材从光合作用概述、光反应、碳反应以及环境因素影响光合速率4个角度阐述这一重要内容。本节课将光合作用概述中的叶绿体结构、光合色素的提取和分离、光合色素的功能等知识串联，不断渗透“结构和功能相适应”的生命观念、提升科学探究能力和科学思维品质。

2.2 学情分析

学生在初中科学课上已经学习过光合作用的有关知识，知道了光合作用的场所、叶绿素和反应式；学习“细胞质”后，对叶绿体的亚显微结构有初步了解，知道光合作用是合成ATP的重要途径之一。学生具备进一步学习叶绿体亚显微结构和光合作用原理的知识基础和兴趣。由于浙江省新课改，不同学校开设生物学的年级不同，高一学生虽能进行研磨、过滤等操作，但纸层析法是首次进行，需要教师详细指导，而高二学生的情况会有明显改善。

2.3 重点、难点

教学重点是光合色素的种类和作用，难点是光合色素的提取与分离、光合色素的作用。

3 教学目标

（1）通过观察光合作用实验和叶绿体结构模式图，能根据结构和功能相适应的观点，说出光合作用的概念、叶绿体的结构特点与光合作用的联系，认同光合作用的独特性和复杂性。

（2）通过对“光合色素的提取和分离”实验结果的分析和实验现象的交流讨论，理解各试剂在实验中的作用以及对实验结果的影响，提高思考和解决问题的能力。

（3）能够根据提供的材料新鲜菠菜、激光笔、分光光度计等，设计简单的实验探究光合色素对单色光的吸收情况。

（4）能够根据光合色素对单色光的吸收情况为农业生产提出有价值的建议。

4 教学过程

4.1 课前准备

每名学生独立观看“光合色素的提取和分离”视频，完成“光合色素的提取和分离”预习任务单。学生每4人自由成立学习小组，自主确定组长，以实现课堂小组合作完成探究、交流评价的意图。兴趣小组学生完成“黑藻光合色素的提取”实验，在400～700 nm波长范围内，每隔30 nm测量色素提取液对不同波长光的吸收情况，并绘制出吸收光谱图。兴趣小组所绘制的色素提取液的吸收光谱图供全体学生在课堂学习中使用，为其他同学提供真实的数据，以创造一个构建数学模型的学习情景。

4.2 教学方法

采用“任务—探究—交流”相结合的教学方法，以学生操作、展示、交流评价为主，突出学生的“学”。

4.3 课堂实录

4.3.1 新课导入——情景实验

教师提供光合作用实验材料及装置——1 000 w聚光灯、烧杯、黑藻、质量分数为5%的NaHCO3溶液，要求学生仔细观察，描述实验现象，并从场所、条件、原料和产物4个角度对光合作用下定义。

学生观看实验现象并根据观察到的现象，尝试说出光合作用的概念。大部分学生能根据光合作用的场所、条件、原料和产物，说出光合作用的概念。

设计意图:学生对光合作用的了解比较抽象，一般现实生活中很难直接观察到这一现象。黑藻属于沉水植物，叶片表皮没有气孔，但有发达的通气组织，叶肉细胞光合作用产生的氧气会聚集至通气组织处。将茎折断后置于NaHCO3溶液中，并给予光照，一段时间后，可明显观察到气泡冒出。本实验可使学生获得对光合作用的直观感受。然后，教师再引导学生从科学角度对光合作用下定义，激发学生求知欲，引入主题。

4.3.2 任务一:探究叶绿体进行光合作用的结构基础

教师提出问题:叶绿体的哪些结构特征有利于其进行光合作用？

学生自主学习教材P86，独立思考并回答。然后，再通过小组间补充评价得出:

①叶绿体内膜和外膜透明，有利于光的穿透；

②类囊体堆叠形成基粒，增加了叶绿体内膜的面积；

③基粒中含有的叶绿素可以吸收太阳光。

叶绿体的这些结构特点有利于其进行光合作用。

设计意图:由于教材文字和插图对于这一知识点有详细介绍，因此教师通过设计问题，让学生带着问题阅读相应内容即可获得所需知识，同时培养了学生自主学习、获取并加工信息能力。

4.3.3 任务二:完成“探究叶绿体中光合色素的种类”活动

教师提出问题:叶绿体中的光合色素是否只有叶绿素？

4名学生组成一个学习小组。首先，每两名学生合作完成一组光合色素的提取和分离活动。然后，4名学生汇总实验现象，讨论并分析实验结果，归纳出实验结论，并思考实验成功的关键步骤及原因。接着，各小组课堂展示交流（小组合作说明:组长统筹分工，组员完成相应任务，记录员用文字或图形记录结果，发言人进行汇报交流）。

实验结果显示大部分学生的滤纸条上能观察到4条不是很整齐的色素带。小组间补充完善得出实验成功的关键之处:

①画滤液细线时确保细且直，使色素扩散均匀；

②滤液细线干后再画，确保滤液细线较细，使色素跑得更加整齐，重复画2～3次，使滤液细线上的色素多一些，分离后的色素带更加清晰；

③滤液细线高于层析液液面，否则色素溶解到层析液中，将得不到清晰的色素带；

④研磨时加入少量SiO2使研磨更充分，便于色素完全释放；

⑤加入少量CaCO3，可以中和细胞内的有机酸，防止有机酸破坏叶绿素；

⑥研磨要迅速充分，叶绿素不稳定，易被破坏，时间过长或研磨不充分都会导致色素的量太少而使实验失败；

⑦制备滤纸条时，要剪去两角，这样可以减小边缘效应，使色素在滤纸上扩散均匀；

⑧收集滤液后，要及时用棉塞将试管口塞紧，防止滤液挥发。

设计意图:以菠菜叶中光合色素的提取和分离实验为情境，学生自己动手提取和分离光合色素，然后展示实验结果并进行相互评价，提高了动手能力、实验结果的交流评价与讨论能力。同时，设计实验成功的关键步骤等问题引导学生对整个过程进行反思，让学生理解每一步骤的目的，培养了学生的科学思维。

4.3.4 任务三:设计实验探究光合色素对单色光的吸收情况

教师提出问题:色素对不同单色光的吸收情况是否相同？

学生根据新鲜菠菜叶片，利用单色光激光笔（模拟红光、蓝光和绿光）等设计实验，探究光合色素对单色光的吸收情况。其中，有四组提出的实验方案相同，即用激光笔照射菠菜色素提取液，用体积分数为95%的乙醇溶液作对照。实验结果是绿光能穿透、红光和蓝光无法穿透。两组提出用不同激光直接照射菠菜叶片，观察激光穿透情况。实验结果显示三种激光都能穿透一片菠菜叶。各小组交流后一致认为与色素含量有关，于是改进实验，增加叶片数量。实验结果显示，当增加到4片菠菜叶时，红光和蓝光均无法穿透，绿光仍然能穿透。有学生提出，用激光直接照射菠菜叶片的说服力不够强，因为菠菜叶片中除了色素，还有其他物质会干扰。其他学生一致认可第一种方案。

设计意图:教师提供实验材料，学习小组讨论、设计并实施实验方案，培养了创造性思维。通过小组间相互评价、质疑实验方案，培养学生的交流、评价能力以及严谨的思维习惯。

4.3.5 任务四:兴趣小组实验结果在课堂展示

学生代表汇报实验内容，教师对学生再交流过程中提出的困惑给予帮助。

各小组派代表汇报实验过程:

①取0.5 g黑藻叶片浸入10 mL体积分数为95%的乙醇溶液，浸泡48 h；取上清液稀释后用于测定对不同波长光的吸收情况，体积分数为95%的乙醇溶液作对照。

②在波长400～700 nm范围内，每隔30 nm测色素的光吸收值。

③记录实验结果，对所得数据进行统计分析。

实验结果见表1和图1。各小组与兴趣小组学生交流。有学生提出:为什么黑藻色素提取液对不同波长光的吸收结果与教材图3-20叶绿素a的吸收光谱不一致？学生交流讨论后，认为:黑藻色素提取液中不只含叶绿素a，本实验结果是所有色素对不同波长光的吸收情况。

设计意图:任务三是光合色素对不同单色光吸收的定性研究，高中学生更应该学会进行定量研究。由于时间限制，让全体学生全程参与并不现实，因此通过组建兴趣小组来完成这一实验。兴趣小组学生在课前借助分光光度计等实验设备探究光合色素对不同波长单色光吸收的定量研究，课堂上分享实验过程和实验结果，并构建出数学模型用于课堂展示和交流，以实现全体学生体验真实探究过程。

表1 黑藻色素提取液对不同波长光吸收情况的记录表

图1 黑藻色素提取液的吸收光谱

4.4 课后拓展

教师围绕叶绿体中光合色素的种类和功能这一核心内容，建构知识体系，组织学生对如何提高生产实践中的光合效率提出有价值的建议。

5 教学反思

5.1 重视科学探究

在今天的教育背景下，生物学教师无论在课堂上还是实验操作中，都要不断培养学生的质疑提问能力。由于科学探究的要素之一就是提出问题，不断将问题作为探究的出发点，因此本节课采用“任务—实践—讨论”相结合的教学方法，并通过多种形式的实验探究如光合色素的种类采取分组实验、光合色素的功能采取演示实验等以不断培养学生的动手能力。在探究活动过程中，教师要重视学生间的交流与合作，尽量安排足够的时间让学生对各种想法、观点进行充分的交流和讨论，充分调动学生的学习欲望，不能为了赶进度而在学生还没进行足够的思考时草率地下结论。

5.2 注重科学思维

生物学是以实验为基础的科学。学生亲历实验是教学的重要内容。本节课将叶绿体结构等内容与光合色素的种类和功能等实验结合起来，使实验成为“教”的手段，也成为学习、认识科学方法的手段。学生通过实验，充分体会控制变量（如光合色素的功能中的自变量、因变量、无关变量以及对照实验）等科学实验方法，结合数学建模（黑藻色素吸收光谱曲线），培养敢于质疑、创新、猜想的科学精神，为以后的创新发展打下坚实的基础。

教师让学生自我设计实验探究光合色素对不同单色光的吸收情况，然后根据教师所提供的材料进行演示，让学生在手脑并用的活动中迸发出创造的火花，提高学生的发散思维和创新设计能力，实现科学思维的培养。