“利用傳感器探究光合作用過程及影響因素”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計

胡有紅

摘要 以“傳感器探究光合作用過程和影響因素”一節(jié)為例，通過整合和重構(gòu)教材內(nèi)容，將光合作用過程由教師直接講授轉(zhuǎn)變?yōu)槎刻骄浚竟?jié)課使用傳感器實時測量O₂或CO₂的變化來反應(yīng)光合作用的實質(zhì)，探究影響光合作用的環(huán)境因素，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 傳感器 實時測量 教學(xué)設(shè)計

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，實現(xiàn)信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄等要求。筆者以“探究光合作用過程及影響因素”一節(jié)為例，利用二氧化碳傳感器和溶解氧傳感器實時測量二氧化碳或溶解氧的變化，來研究光合作用過程和影響因素。

1教學(xué)背景分析

1.1教材分析

光合作用過程是人教版《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第四節(jié)“能量之源——光和光合作用”第二課時的內(nèi)容，包括光合作用的發(fā)現(xiàn)歷程、光合作用過程、光合作用原理的應(yīng)用，而光合作用的過程和原理的應(yīng)用是本節(jié)內(nèi)容的重點和難點。筆者嘗試統(tǒng)整教材內(nèi)容，提供科學(xué)史素材，采用探究式教學(xué)模式，讓學(xué)生自主、合作構(gòu)建光合作用過程。本節(jié)課采用傳感器定量測量溶解氧或氣液相密封實驗器內(nèi)CO₂的量，探究影響光合作用的環(huán)境因素。

1.2學(xué)情分析及課前實驗準(zhǔn)備

1.2.1學(xué)情分析

在介紹光合作用過程之前，學(xué)生已經(jīng)就課本中光合作用研究的科學(xué)史為線索，遵循科學(xué)家的探索思路，總結(jié)出光合作用的探究歷程。因為教材中介紹的科學(xué)史非常經(jīng)典，學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)其探索過程，等于沿著科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)思路作了一次思維的探究，這對于本節(jié)課的學(xué)習(xí)是必要的。

1.2.2課前實驗準(zhǔn)備

在數(shù)字化實驗室開展教學(xué)，配備14臺網(wǎng)絡(luò)計算機，學(xué)生三人一機為一組，共14組。實驗器材：溶解氧傳感器、二氧化碳傳感器、數(shù)據(jù)采集器、磁力攪拌器、氣液相密封實驗器、500mL錐形瓶、臺燈、凡士林、水生植物（碗蓮）、陸生植物（綠蘿）等。

2教學(xué)目標(biāo)

（1）說明光合作用過程，研究影響光合作用強度的因素。

（2）嘗試重構(gòu)和統(tǒng)整課本內(nèi)容，探究光合作用的建構(gòu)過程，在理解生物學(xué)概念性知識的基礎(chǔ)上形成生命觀念；嘗試用傳感器進(jìn)行有關(guān)實驗和探究，培養(yǎng)理性思維、科學(xué)探究能力。

（3）通過對光合作用過程和影響因素的探究，認(rèn)同科學(xué)是在不斷的實驗、探索和爭論中前進(jìn)的；認(rèn)同科學(xué)研究需要具有質(zhì)疑、創(chuàng)新和勇于實踐的科學(xué)精神和態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任。

3課例分析

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計主要包括以下基本程序。

第一階段：情境導(dǎo)入→演示實驗→明確目標(biāo)。

教師展示校園美景的圖片，導(dǎo)入情境：四時之景，各有不同，唯有秋日，橙黃橘綠，最是好看。

教師設(shè)問：當(dāng)同學(xué)們漫步在校園中，有沒有意識到，身邊的植物就是一個個能量轉(zhuǎn)換器？教師引導(dǎo)學(xué)生明確能量轉(zhuǎn)換器的核心是葉綠體，光合作用實質(zhì)是利用光能把H₂O和CO₂合成糖類，釋放O₂。

教師演示實驗：

實驗?zāi)康模?/p>

①用溶解氧傳感器實時測量水中O₂的濃度來反映水生植物的光合作用。

②用CO₂傳感器實時測量容器中CO₂的濃度來反映陸生植物的光合作用

實驗裝置：見圖1和圖2。

實驗結(jié)果：

①4s內(nèi)，溶解氧含量由0上升至2.32mg/L；

②420s內(nèi)，氣液相密封實驗器內(nèi)CO₂含量下降104ppm。

分析結(jié)果：直觀展示了植物的光合作用需要消耗CO₂，并釋放出O₂

設(shè)計意圖：利用校園中學(xué)生熟悉的美景導(dǎo)入本節(jié)課，培養(yǎng)學(xué)生熱愛學(xué)校、善于用生命觀念認(rèn)識生命世界、解釋生命現(xiàn)象，由此開展本節(jié)教學(xué)內(nèi)容一光合作用。利用傳感器演示實驗，通過計算機顯示數(shù)據(jù)動態(tài)變化，直觀顯示植物光合作用消耗CO₂，釋放O₂，開拓學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)科的興趣。通過情景導(dǎo)入，演示實驗，明確本節(jié)課的教學(xué)任務(wù)，探究光合作用過程和影響光合作用強度的環(huán)境因素。

第二階段：研讀學(xué)材→引導(dǎo)探究→對話共構(gòu)。

研讀學(xué)材：教師提供學(xué)習(xí)材料，學(xué)生自主學(xué)習(xí)研讀。學(xué)生觀察圖3，思考下列問題：①類囊體薄膜上的葉綠素吸收光能會丟失電子，可以從哪種物質(zhì)中奪得電子？該物質(zhì)失去電子后產(chǎn)物是什么？

②光解作用產(chǎn)生的H⁺被泵入類囊體腔內(nèi)，在類囊體膜兩側(cè)形成跨膜濃度梯度，可以用來驅(qū)動什么物質(zhì)合成？

③沿著電子載體傳遞的電子最終傳遞給“誰”？該物質(zhì)得到電子后轉(zhuǎn)變?yōu)槟姆N物質(zhì)？

教師提供材料：卡爾文與其同事利用在伯克利剛發(fā)現(xiàn)的¹⁴C首次探明光合作用中的碳固定途徑，并于1961年獲得諾貝爾化學(xué)獎。實驗材料為小球藻。實驗方法是同位素標(biāo)記法。實驗過程：用¹⁴C標(biāo)記的¹⁴CO₂，供小球藻進(jìn)行光合作用，每隔一段時間取樣，并立即殺死，然后將光合產(chǎn)物分開，鑒定被14C0s標(biāo)記的產(chǎn)物。實驗現(xiàn)象：0.5s后收集小球藻，分離鑒定出¹⁴C標(biāo)記物為一種三碳化合物，用C₃表示；5s后收集小球藻，分離鑒定出¹⁴C標(biāo)記物，除上述C₃外，還有一種六碳糖，用（CH₂O）表示。

教師提出問題：為什么每次取樣后要立即殺死小球藻？在暗反應(yīng)中CO₂經(jīng)歷怎樣的反應(yīng)歷程呢？

引導(dǎo)探究：在學(xué)生觀察圖形的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生探究光反應(yīng)過程中物質(zhì)變化和能量變化。學(xué)生閱讀材料，明確“C在葉綠體基質(zhì)中轉(zhuǎn)移路徑是“¹⁴CO₂-¹⁴C₃-（¹⁴CH₂O）”。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生：產(chǎn)生14C3的時候必然有一個¹⁴CO₂受體存在。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)C₂和C₅都有可能是¹⁴CO₂受體。各學(xué)習(xí)小組思考、討論。學(xué)生通過交流討論，最終達(dá)成共識：在COs濃度快速上升的一瞬間，分別檢測C₂和C₅含量的變化，含量降低的是受體。教師明確CO₂固定的受體是C₅。然后，教師繼續(xù)追問：消耗的受體是如何生成的？從而引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)出C₃被還原為有機物的同時生成C₅。

對話共構(gòu)：教師要求每個小組的學(xué)生相互交流合作，在白板上畫出光合作用場所、條件、具體過程。各學(xué)習(xí)小組分組展示成果，教師給予點評，引導(dǎo)學(xué)生完善光合作用的過程圖，并總結(jié)光反應(yīng)和暗反應(yīng)之間的聯(lián)系。

設(shè)計意圖：教師通過統(tǒng)整和重構(gòu)教材中的內(nèi)容，變知識的直接呈現(xiàn)為合作探究，引導(dǎo)學(xué)生在合作探究的學(xué)習(xí)方式中不斷地還原科學(xué)經(jīng)典實驗，從而提高學(xué)生的邏輯思維能力和發(fā)散性思維能力，使學(xué)生的探究意識、理性思維得到充分發(fā)展。

第三階段：設(shè)計實驗一實驗探究一展示交流。

設(shè)計實驗：在第一階段教師演示實驗基礎(chǔ)上，學(xué)生設(shè)計實驗，探究光照強度、光質(zhì)對光合作用的影響。學(xué)習(xí)小組交流討論，形成初步方案，教師協(xié)調(diào)引導(dǎo)，各組確定具體方案并實施。

實驗探究：本階段，各小組用CO₂傳感器實時測量氣液相密封實驗器中CO₂的濃度來反映陸生植物的光合作用強度。1～6組探究光照強度對光合作用強度的影響（通過改變氣液相密封實驗器與臺燈之間距離）；5～14組探究光質(zhì)對光合作用強度的影響（在氣液相密封實驗器表面蒙上無色透明、紅色透明、綠色透明、藍(lán)色透明、黃色透明玻璃紙）。

展示交流：光合作用時間420s后，記錄實驗數(shù)據(jù)表1。

各個學(xué)習(xí)小組分析實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，隨著光照強度的增加，光合作用強度增加；白光光合作用效果好于藍(lán)光和紅光，其次是黃光，綠光效果最差。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，建議使用無色透明的塑料薄膜。教師要引導(dǎo)學(xué)生找出異常數(shù)據(jù)，分析原因。

設(shè)計意圖：將枯燥的教師講授知識轉(zhuǎn)變?yōu)閯邮謱嶒炋骄课粗?，提高課堂學(xué)習(xí)的有效性和興趣性，在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。

第四階段：拓展思維→實驗創(chuàng)新→總結(jié)反芻。

拓展思維：教師提出問題：實驗中為什么每個氣液相密封實驗器中放置10片大小、形態(tài)、幼嫩程度相似的綠蘿葉片？如何使每個氣液相密封實驗器中CO₂起始濃度相同？如何改變該實驗裝置，來探究CO₂濃度對光合作用強度的影響？實驗中對光照強度的控制可通過調(diào)節(jié)燈泡與氣液相密封實驗器的距離來實現(xiàn)，還可通過調(diào)節(jié)什么來實現(xiàn)？如何消除溫度對實驗的影響？

實驗創(chuàng)新：可以在氣液相密封實驗器中放入不同濃度的NaHCO₃溶液來探究CO₂濃度對光合作用強度的影響；對光照強度的控制可通過調(diào)節(jié)燈泡與氣液相密封實驗器的距離來實現(xiàn)，也可通過調(diào)節(jié)燈泡的亮度來實現(xiàn)；為了消除溫度對實驗的影響，可以采用LED冷光源燈泡或者在臺燈與密封實驗器之間加熱屏障或?qū)嶒炦^程中將自來水以一定速度灌至透明水槽（圖4）。

總結(jié)反芻：進(jìn)行有關(guān)實驗和探究，學(xué)生學(xué)會控制自變量，觀察和檢測因變量，以及設(shè)置對照組和重復(fù)實驗，分析實驗過程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)。教師要引導(dǎo)學(xué)生分析異常的原因，以便改善實驗裝置。

設(shè)計意圖：科學(xué)思維滲透于科學(xué)探究過程的各個環(huán)節(jié)，在學(xué)生形成生命觀念、發(fā)展理性思維、進(jìn)行科學(xué)探究的過程中，培養(yǎng)其社會責(zé)任意識，達(dá)到學(xué)以致用。

4教學(xué)反思

教師通過統(tǒng)整教材內(nèi)容，提供科學(xué)史素材，讓學(xué)生主動構(gòu)建光合作用過程，提高了課堂教學(xué)的實效性；實驗中使用傳感器，可以直接在計算機中獲得實驗數(shù)據(jù)，并通過添加圖表或折線圖等分析實驗結(jié)果，得出結(jié)論，十分直觀與簡便，簡化了以往課堂上繁瑣的講解、計算過程，既節(jié)約了時間又讓學(xué)生直觀易懂，同時培養(yǎng)了學(xué)生動手能力、分析數(shù)據(jù)能力、小組合作交流能力等，將生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)真正踐行在課堂教學(xué)中。