“光合作用的發(fā)現(xiàn)過程”的教學(xué)設(shè)計(jì)

姜中玉

(江蘇省南京市金陵中學(xué) 210005)

1 教材分析

“光合作用的發(fā)現(xiàn)過程”是蘇教版高中生物學(xué)教材《分子與細(xì)胞》第4章第2節(jié)的內(nèi)容，是在學(xué)生學(xué)習(xí)了葉綠體、ATP和酶的內(nèi)容之后，對(duì)細(xì)胞內(nèi)代謝活動(dòng)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，可為“光合作用過程”的學(xué)習(xí)作鋪墊，同時(shí)與必修3“生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)”有著一定聯(lián)系。本節(jié)包含的幾個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，對(duì)光合作用概念的得出起到?jīng)Q定性作用。因此，有必要認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)的方法、材料和相關(guān)技術(shù)。其中通過各實(shí)驗(yàn)結(jié)論得出光合作用的概念和反應(yīng)式是教學(xué)重點(diǎn)，而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)原則是教學(xué)難點(diǎn)。教師在教學(xué)中應(yīng)注重引導(dǎo)，幫助學(xué)生自主得出光合作用概念和反應(yīng)式，同時(shí)加強(qiáng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)原則和精神的教育，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)目標(biāo) 舉例說出科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光合作用的實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)述相關(guān)實(shí)驗(yàn)的過程；簡(jiǎn)述光合作用概念，說出光合作用反應(yīng)式。

2.2 能力目標(biāo) 分析科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路、選材、過程和結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；運(yùn)用科學(xué)探究一般步驟和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相關(guān)原則嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo) 參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果討論，形成科學(xué)探究理念，感受科學(xué)家實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的精妙之處，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的態(tài)度和方法。

3 教學(xué)過程

3.1 設(shè)置情境，導(dǎo)入新課 展示玉米拔節(jié)生長(zhǎng)、大牡竹生長(zhǎng)圖片，并介紹：玉米在拔節(jié)生長(zhǎng)期間，每天可以長(zhǎng)高8 cm以上。如果夏季的夜晚站在玉米地里，甚至能聽到玉米拔節(jié)生長(zhǎng)“咔咔”的聲音；大牡竹曾有每天增高41 cm的記錄植物為什么能生長(zhǎng)？學(xué)生很容易說出光合作用，教師進(jìn)而提出：光合作用需要哪些物質(zhì)？產(chǎn)生了哪些物質(zhì)？這節(jié)課讓我們一起學(xué)習(xí)并了解光合作用的發(fā)現(xiàn)過程。

設(shè)計(jì)意圖：多媒體展示圖片，教師介紹學(xué)生從未經(jīng)歷或從不知道的小知識(shí)，引發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)積極性。

3.2 光合作用的發(fā)現(xiàn)過程 通過光合作用發(fā)現(xiàn)中的幾個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，分析科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)方法，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)家實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的精妙之處，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的態(tài)度和方法。

3.2.1 海爾蒙特的實(shí)驗(yàn)(1664年) 補(bǔ)充材料“亞里士多德的猜想”：植物增加的重量等于土壤減少的重量。提問：亞里士多德為什么有這樣的想法？該想法是否正確？如何通過實(shí)驗(yàn)證明？學(xué)生提出問題，作出假設(shè)，教師給予相關(guān)實(shí)驗(yàn)材料做提示，學(xué)生回答設(shè)計(jì)思路。提問：設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)是什么？如何稱重？學(xué)生討論回答后，教師順此提出海爾蒙特實(shí)驗(yàn)：海爾蒙特的設(shè)計(jì)與我們的是否一樣？如何減少稱量誤差？他得出了什么結(jié)論？在學(xué)生回答相關(guān)問題的基礎(chǔ)上，教師板書“水”，并繼續(xù)設(shè)問：海爾蒙特的實(shí)驗(yàn)有一個(gè)重大的實(shí)驗(yàn)方法上的突破，你們知道是什么嗎？學(xué)生思考，教師適時(shí)點(diǎn)撥：海爾蒙特第一次采用了定量的方法研究了植物生長(zhǎng)所需要的物質(zhì)，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，他成為對(duì)光合作用定量研究的第一人。但是，他的結(jié)論是否完全正確？通過該問題過渡到普利斯特萊的實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：應(yīng)用資料及提出問題讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，指出海爾蒙特是光合作用發(fā)現(xiàn)史上第一個(gè)定量研究的科學(xué)家，讓學(xué)生感受科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)思路和方法。

3.2.2 普利斯特萊的實(shí)驗(yàn)(1771年) 展示密閉鐘罩中燃燒的蠟燭和小鼠圖片，蠟燭熄滅，小鼠死亡。教師講述：這一現(xiàn)象使普利斯特萊想到，空氣在燃燒和小鼠呼吸中被污染了。他設(shè)想，能否把受污染的空氣加以凈化，于是便想到了植物。提問：普利斯特萊為什么會(huì)想到植物？你認(rèn)為普利斯特萊接下來(lái)會(huì)怎么做？接著引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)，明確對(duì)照原則，指出這是該實(shí)驗(yàn)值得借鑒之處。設(shè)問：實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了什么？以你們現(xiàn)有的知識(shí)，能說出植物更新的是什么嗎？板書：CO2、O2(CO2寫在反應(yīng)物一側(cè)，O2寫在產(chǎn)物一側(cè))。

設(shè)計(jì)意圖：將探究的思想和生活實(shí)踐融入實(shí)驗(yàn)的講解過程，從自變量、因變量、無(wú)關(guān)變量角度分析，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的對(duì)照原則，以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

3.2.3 英根豪斯的實(shí)驗(yàn)(1779年) 多媒體呈現(xiàn)資料1：多位科學(xué)家重復(fù)普利斯特萊的實(shí)驗(yàn)時(shí)，有的成功，有的失敗。提問：實(shí)驗(yàn)中可能有哪些因素造成實(shí)驗(yàn)失敗？資料2：荷蘭的英根豪斯發(fā)現(xiàn)，普利斯特萊的實(shí)驗(yàn)只有在光下才能成功。提問：植物更新空氣需要的條件是什么？用該方法能看見釋放的氣體嗎？有無(wú)更好的方法證明植物確實(shí)釋放了氣體？進(jìn)而提出英根豪斯的實(shí)驗(yàn)，指出該實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)材料和方法的改進(jìn)，直至1785年，科學(xué)家才明確綠葉在光下放出的是O2，吸收的是CO2，說明技術(shù)進(jìn)步對(duì)科學(xué)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。順此設(shè)問：能否將釋放的氣體收集起來(lái)？學(xué)生回答，并展示黑藻光合作用的氧氣收集實(shí)驗(yàn)(課前準(zhǔn)備)。

設(shè)計(jì)意圖：通過補(bǔ)充資料讓學(xué)生了解更多光合作用發(fā)現(xiàn)史實(shí)，一方面增加學(xué)生知識(shí)，提出問題引導(dǎo)學(xué)生思考；另一方面讓學(xué)生感受到科學(xué)發(fā)展之路是一條艱辛坎坷的路。問題的設(shè)計(jì)層層推進(jìn)，最后聯(lián)系其他學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并當(dāng)堂展示，將課堂推入一個(gè)小高潮。

3.2.4 薩克斯的實(shí)驗(yàn)(1864年) 由問題“我們知道植物在光合作用中釋放了O2，而植物卻能慢慢長(zhǎng)大，是什么物質(zhì)留在了植物體內(nèi)？”引入薩克斯的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在初中已接觸過該實(shí)驗(yàn)，可以問題形式讓學(xué)生理解科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果即可。問：①為何要在黑暗處處理一晝夜？②實(shí)驗(yàn)是如何作對(duì)照的？③為何要對(duì)盛葉片的酒精水浴加熱而非直接加熱？④實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明什么？教師指出該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)步之處是采用了脫色、染色等化學(xué)鑒定方法，屬于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步。板書：淀粉。

設(shè)計(jì)意圖：從科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)進(jìn)步的角度引導(dǎo)學(xué)生分析，用問題探究式學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中的對(duì)照處理和實(shí)驗(yàn)方法。

3.2.5 恩吉爾曼的實(shí)驗(yàn)(1880年) 補(bǔ)充資料：英根豪斯在驗(yàn)證了植物能在光下更新空氣以后，又對(duì)植物的不同部位進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)只有植物的綠色部分才能釋放出氣體。這是什么原因造成的？由此引入對(duì)光合作用場(chǎng)所的學(xué)習(xí)。教師展示恩吉爾曼實(shí)驗(yàn)，介紹水綿和好氧細(xì)菌，說明選材的巧妙性。設(shè)問：①實(shí)驗(yàn)開始時(shí)為何要在黑暗和隔絕空氣的條件下？②該條件下用極細(xì)的光束照射時(shí)細(xì)菌如何分布？③實(shí)驗(yàn)是如何對(duì)照的？④完全曝光時(shí)細(xì)菌如何分布？⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明什么？教師總結(jié)：光合作用的條件和場(chǎng)所。板書：光、葉綠體(將光合作用反應(yīng)式補(bǔ)充完整)。 由學(xué)生描述什么是光合作用，得出概念。

設(shè)計(jì)意圖：將實(shí)驗(yàn)材料的介紹作為知識(shí)鋪墊，在此基礎(chǔ)上提問，讓學(xué)生進(jìn)行分析。在反應(yīng)物、產(chǎn)物、條件、場(chǎng)所都已明確的情況下寫出光合作用反應(yīng)式，讓學(xué)生自主建構(gòu)，得出光合作用概念。

3.2.6 魯賓、卡門的實(shí)驗(yàn)(1940年) 教師講述：光合作用反應(yīng)式已經(jīng)得出，但科學(xué)家并不滿足于此，他們希望徹底弄清楚光合作用的過程，或許將來(lái)某一天能夠人工模擬光合作用，解決能源、糧食危機(jī)等。教師圍繞反應(yīng)物H2O和CO2都有氧元素提出問題：產(chǎn)物中的O2來(lái)自于H2O還是CO2？怎樣探究元素的轉(zhuǎn)移路徑？(生：同位素標(biāo)記法)學(xué)生做出假設(shè)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論。教師點(diǎn)評(píng)，播放實(shí)驗(yàn)?zāi)M動(dòng)畫，引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：本部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有一定難度，可側(cè)重在對(duì)科學(xué)探究方法的掌握，如怎樣做出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，怎樣對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出結(jié)論。

3.2.7 卡爾文的實(shí)驗(yàn)(1948年) 本實(shí)驗(yàn)不要求學(xué)生掌握，只需要了解實(shí)驗(yàn)用到的是同位素標(biāo)記法即可。教師可以補(bǔ)充資料，簡(jiǎn)單介紹卡爾文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明光合作用的產(chǎn)物并非只有淀粉，讓學(xué)生明白脂肪、蛋白質(zhì)都是光合作用的產(chǎn)物。將板書上的“淀粉”改成“有機(jī)物”。

設(shè)計(jì)意圖：利用該實(shí)驗(yàn)說明光合作用的研究在繼續(xù)，并對(duì)“光合作用產(chǎn)物是有機(jī)物”進(jìn)行解釋。

3.2.8 總結(jié) 教師對(duì)本節(jié)課實(shí)驗(yàn)做小結(jié)(表1)。舉例說明光合作用的新發(fā)現(xiàn)及未解決的問題，鼓勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)，將來(lái)為科學(xué)發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。

表1 光合作用的發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)總結(jié)

4 教學(xué)反思

本節(jié)課的主要內(nèi)容涉及科學(xué)發(fā)現(xiàn)史，其中匯集了多位科學(xué)家的智慧，通過科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，使光合作用的概念逐漸完善，有利于將實(shí)驗(yàn)的思想、方法、科學(xué)精神等傳遞給學(xué)生，讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析，學(xué)會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。教學(xué)中貫穿本節(jié)課的主線有：①按時(shí)間順序?qū)⒖茖W(xué)研究過程呈現(xiàn)給學(xué)生，在這個(gè)過程中分析每位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)；②在不同的實(shí)驗(yàn)中滲透科學(xué)實(shí)驗(yàn)一般過程和方法。針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的問題，將科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法于無(wú)形之中傳授給學(xué)生，而非刻意為講實(shí)驗(yàn)題而講實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。問題設(shè)計(jì)的難度適中，具有一定的延展性和寬度，這樣有益于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，也容易實(shí)現(xiàn)師生情感共鳴。此外，本節(jié)課播放動(dòng)畫或視頻較少，而以展示實(shí)驗(yàn)為主，可收到更好的效果。