以二氧化碳作为检测对象的初中生物学实验的整合、优化与拓展

邹永剑 朱晓燕

（1 福建省南平第一中学 福建南平 35300 2 福建省南平市教师进修学院 福建南平 354200）

《义务教育生物学课程标准（2011年版）》提出，科学探究是为了促进学生学习方式的改变，使学生能主动地获取知识，体验科学过程，培养创新精神[1]。围绕对“光合作用”和“呼吸作用”的探究，本文从实验检测对象入手，改变实验类型，优化实验程序，整合拓展实验，培养学生的科学探究和科学思维能力。

1 变更检测对象，培养探究思维

在完成“验证绿叶在光下合成淀粉”的实验后，教师可引导学生查阅资料，引发思考：该实验通过检测是否产生淀粉以探究光合作用，若将检测对象变更为二氧化碳是否可行？怎样才能准确地检测二氧化碳的消耗量？在没有二氧化碳分析仪的情况下，如何设计简单而直观的实验也能达到类似的效果？教师介绍补充知识：二氧化碳溶于水形成碳酸，水体的pH 值会发生变化，加入酸碱指示剂后，通过水体颜色的变化可观测二氧化碳的增、减。进一步引导学生展开讨论，提出在水中检测二氧化碳的可行性方案。学生尝试将“检验光合作用需要二氧化碳”确立为优化目标实验（表1）。

表1 变更检测对象实验对照表

2 整合教材实验，优化实验设计

北师大版初中生物学教材第5 章第1～2 节设置的9 个实验中有6 个演示实验[2]。将演示实验改为活动类实验，有助于学生构建概念，提高科学探究能力和科学思维能力，但需注意变更后的实验应满足可操作、易观察、低风险等条件。基于检测对象变更的可行性，教师引导学生从教材中筛选出5 个实验并着手展开优化整合（表2）。

表2 光合作用及呼吸作用的部分实验整合

2.1 实验原理 溴麝香草酚蓝（BTB）试剂在弱酸性溶液中呈黄色，在碱性溶液中呈蓝色。

2.2 实验材料 新鲜和煮熟的绿菊花草、550 mL矿泉水瓶、0.1%BTB 试剂、试剂瓶、滴管、镊子、大烧杯、开水、新鲜河水、火柴、木条、长吸管、温度计。

2.3 预实验

1）水生植物的筛选：备选植物有铜钱草、绿菊花草、蜈蚣草和鹿角铁皇冠，发现在22～28℃范围内，绿菊花草的光合作用速率最快，效果最明显，空白组是为了检测光照是否对BTB 溶液颜色变化有影响（图1）。

图1 光照后BTB 溶液颜色对比

2）酸碱指示剂的筛选：备选指示剂有石蕊、酚酞和溴麝香草酚蓝（BTB）试剂，发现BTB 试剂显色效果最为理想（图2）。

图2 吹气前、后BTB 溶液颜色对比

3）BTB 毒性测试：未发现BTB 试剂对绿菊花草会造成伤害。

2.4 实验过程 将开水注入甲烧杯冷却至室温，将新鲜河水注入乙烧杯，各加入0.1%BTB 试剂搅拌均匀，试剂与水的混合比为1∶400。取7 个同款式矿泉水瓶标号为A～G。向A～E 瓶中注入400 mL 的BTB 冷开水溶液，向F、G 瓶中注入等量BTB 新鲜河水溶液。每瓶加入20 g 绿菊花草，水温控制在22～28℃。

实验①：A、B 瓶中加入新鲜绿菊花草，用长吸管向瓶内溶液吹气直至颜色变黄，拧紧瓶盖后A 瓶置于光下，B 瓶置于暗处，观察溶液颜色变化情况。

实验②：C、D 瓶各加入新鲜绿菊花草，用长吸管向C 瓶溶液内吹气直至颜色变黄，D 瓶不吹气，拧紧瓶盖后同时置于光下，观察溶液颜色变化情况。

实验③：E 瓶加入新鲜绿菊花草，用长吸管向瓶内溶液吹气直至颜色变黄，拧紧瓶盖后置于光下，观察气泡产生情况。每隔3 min 拧松瓶盖5 s后再重新拧紧，拧松瓶盖是为了排出瓶内原有气体。重复2 ～3 次后，将带有火星的木条迅速伸入瓶内，观察现象。

实验④：F 瓶加入新鲜绿菊花草，G 瓶加入煮熟绿菊花草，拧紧瓶盖后同时置于暗处，过夜后，观察溶液颜色变化情况。

实验⑤：将点燃的木条分别伸入F 瓶和G 瓶中，观察燃烧情况。

2.5 实验分析及结论

实验①：A 瓶溶液颜色由黄变绿（图3），B 瓶颜色不变。A 瓶植物能吸收二氧化碳进行光合作用；B 瓶植物缺乏光照不能进行光合作用。说明绿色植物光合作用需要光。

图3 光照90 min 前、后BTB 溶液颜色对比

实验②：C 瓶溶液颜色由黄变绿，D 瓶颜色不变。C 瓶植物能进行光合作用；D 瓶植物缺乏二氧化碳不能进行光合作用。说明绿色植物光合作用需要二氧化碳。

实验③：E 瓶溶液颜色由黄变绿，说明植物能吸收二氧化碳进行光合作用；带有火星的木条复燃，说明光合作用释放的气体为氧气。

实验④：F 瓶溶液颜色由绿变黄，G 瓶颜色不变。F 瓶植物能进行呼吸作用释放二氧化碳；G瓶植物死亡无法释放二氧化碳。说明绿色植物进行呼吸作用能释放二氧化碳。

实验⑤：F 瓶木条伸入后立即熄灭，G 瓶木条伸入后短时间内能继续燃烧。F 瓶植物进行呼吸作用，氧气被大量吸收，无法支持木条继续燃烧；G 瓶植物死亡无法进行呼吸作用，不消耗氧气。说明绿色植物进行呼吸作用能吸收氧气。

3 借助相同装置，进行拓展实验

改进原有的实验模式，换以二氧化碳作为检测对象，只需在原有装置的基础上，适当添加材料器具，即可对光合作用和呼吸作用的原料、产物及各种条件展开拓展探究，有利于学生认知的发展，也为后续高中阶段的学习做好衔接，达成同时实现多级目标的教学预期（表3）。

表3 光合作用及呼吸作用相关拓展实验

优化整合后的实验无需暗处理即可进行，可极大缩短时间。采用矿泉水瓶代替玻璃钟罩，可实现废物再利用，增强学生的环保意识和社会责任感。将陆生植物（天竺葵）替换为水生植物（绿菊花草），利用水溶液的颜色变化检测二氧化碳，可拓展学生的思维，起到鼓励积极探索、提升科学素养的目的。设计BTB 毒性测试环节，可培养学生严谨、全面的科学思维习惯。摒弃氢氧化钠的使用和酒精脱色处理，可消除强腐蚀、易燃烧等因素造成危害的隐患。这些措施有助于切实有效开展中学生物学实验、培养和发展学生的实验基本技能及生物学科核心素养。