聚焦實驗教學(xué)、發(fā)展科學(xué)思維
——以光合作用第一課時為例

胡海明 葉惠良

（浙江省寧波市第二中學(xué) 浙江寧波 315010）

1 設(shè)計思想

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。科學(xué)思維是生物學(xué)核心素養(yǎng)“能力”因素的關(guān)鍵部分，是科學(xué)探究的基礎(chǔ)，需要在科學(xué)探究中磨礪?？茖W(xué)探究是生物學(xué)作為科學(xué)的重要特征，是概念形成的途徑，也就自然成為觀念建立的途徑。下面以光合作用第一課時為例，通過以實驗探究活動為特點的主動學(xué)習(xí)，來提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)。

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節(jié)的知識點，既是對前面學(xué)過的知識如細胞器、吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)、能量通貨ATP等知識的復(fù)習(xí)鞏固，又是學(xué)習(xí)必修三生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)量、物質(zhì)循環(huán)、能量流動以及選修三生態(tài)農(nóng)業(yè)等知識的基礎(chǔ)。

教材從光合作用概述、光反應(yīng)、碳反應(yīng)以及環(huán)境因素影響光合速率4個角度闡述這一重要內(nèi)容。本節(jié)課將光合作用概述中的葉綠體結(jié)構(gòu)、光合色素的提取和分離、光合色素的功能等知識串聯(lián)，不斷滲透“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的生命觀念、提升科學(xué)探究能力和科學(xué)思維品質(zhì)。

2.2 學(xué)情分析

學(xué)生在初中科學(xué)課上已經(jīng)學(xué)習(xí)過光合作用的有關(guān)知識，知道了光合作用的場所、葉綠素和反應(yīng)式；學(xué)習(xí)“細胞質(zhì)”后，對葉綠體的亞顯微結(jié)構(gòu)有初步了解，知道光合作用是合成ATP的重要途徑之一。學(xué)生具備進一步學(xué)習(xí)葉綠體亞顯微結(jié)構(gòu)和光合作用原理的知識基礎(chǔ)和興趣。由于浙江省新課改，不同學(xué)校開設(shè)生物學(xué)的年級不同，高一學(xué)生雖能進行研磨、過濾等操作，但紙層析法是首次進行，需要教師詳細指導(dǎo)，而高二學(xué)生的情況會有明顯改善。

2.3 重點、難點

教學(xué)重點是光合色素的種類和作用，難點是光合色素的提取與分離、光合色素的作用。

3 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過觀察光合作用實驗和葉綠體結(jié)構(gòu)模式圖，能根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀點，說出光合作用的概念、葉綠體的結(jié)構(gòu)特點與光合作用的聯(lián)系，認同光合作用的獨特性和復(fù)雜性。

（2）通過對“光合色素的提取和分離”實驗結(jié)果的分析和實驗現(xiàn)象的交流討論，理解各試劑在實驗中的作用以及對實驗結(jié)果的影響，提高思考和解決問題的能力。

（3）能夠根據(jù)提供的材料新鮮菠菜、激光筆、分光光度計等，設(shè)計簡單的實驗探究光合色素對單色光的吸收情況。

（4）能夠根據(jù)光合色素對單色光的吸收情況為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出有價值的建議。

4 教學(xué)過程

4.1 課前準(zhǔn)備

每名學(xué)生獨立觀看“光合色素的提取和分離”視頻，完成“光合色素的提取和分離”預(yù)習(xí)任務(wù)單。學(xué)生每4人自由成立學(xué)習(xí)小組，自主確定組長，以實現(xiàn)課堂小組合作完成探究、交流評價的意圖。興趣小組學(xué)生完成“黑藻光合色素的提取”實驗，在400～700 nm波長范圍內(nèi)，每隔30 nm測量色素提取液對不同波長光的吸收情況，并繪制出吸收光譜圖。興趣小組所繪制的色素提取液的吸收光譜圖供全體學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中使用，為其他同學(xué)提供真實的數(shù)據(jù)，以創(chuàng)造一個構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的學(xué)習(xí)情景。

4.2 教學(xué)方法

采用“任務(wù)—探究—交流”相結(jié)合的教學(xué)方法，以學(xué)生操作、展示、交流評價為主，突出學(xué)生的“學(xué)”。

4.3 課堂實錄

4.3.1 新課導(dǎo)入——情景實驗

教師提供光合作用實驗材料及裝置——1 000 w聚光燈、燒杯、黑藻、質(zhì)量分數(shù)為5%的NaHCO3溶液，要求學(xué)生仔細觀察，描述實驗現(xiàn)象，并從場所、條件、原料和產(chǎn)物4個角度對光合作用下定義。

學(xué)生觀看實驗現(xiàn)象并根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，嘗試說出光合作用的概念。大部分學(xué)生能根據(jù)光合作用的場所、條件、原料和產(chǎn)物，說出光合作用的概念。

設(shè)計意圖:學(xué)生對光合作用的了解比較抽象，一般現(xiàn)實生活中很難直接觀察到這一現(xiàn)象。黑藻屬于沉水植物，葉片表皮沒有氣孔，但有發(fā)達的通氣組織，葉肉細胞光合作用產(chǎn)生的氧氣會聚集至通氣組織處。將莖折斷后置于NaHCO3溶液中，并給予光照，一段時間后，可明顯觀察到氣泡冒出。本實驗可使學(xué)生獲得對光合作用的直觀感受。然后，教師再引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)角度對光合作用下定義，激發(fā)學(xué)生求知欲，引入主題。

4.3.2 任務(wù)一:探究葉綠體進行光合作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

教師提出問題:葉綠體的哪些結(jié)構(gòu)特征有利于其進行光合作用？

學(xué)生自主學(xué)習(xí)教材P86，獨立思考并回答。然后，再通過小組間補充評價得出:

①葉綠體內(nèi)膜和外膜透明，有利于光的穿透；

②類囊體堆疊形成基粒，增加了葉綠體內(nèi)膜的面積；

③基粒中含有的葉綠素可以吸收太陽光。

葉綠體的這些結(jié)構(gòu)特點有利于其進行光合作用。

設(shè)計意圖:由于教材文字和插圖對于這一知識點有詳細介紹，因此教師通過設(shè)計問題，讓學(xué)生帶著問題閱讀相應(yīng)內(nèi)容即可獲得所需知識，同時培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獲取并加工信息能力。

4.3.3 任務(wù)二:完成“探究葉綠體中光合色素的種類”活動

教師提出問題:葉綠體中的光合色素是否只有葉綠素？

4名學(xué)生組成一個學(xué)習(xí)小組。首先，每兩名學(xué)生合作完成一組光合色素的提取和分離活動。然后，4名學(xué)生匯總實驗現(xiàn)象，討論并分析實驗結(jié)果，歸納出實驗結(jié)論，并思考實驗成功的關(guān)鍵步驟及原因。接著，各小組課堂展示交流（小組合作說明:組長統(tǒng)籌分工，組員完成相應(yīng)任務(wù)，記錄員用文字或圖形記錄結(jié)果，發(fā)言人進行匯報交流）。

實驗結(jié)果顯示大部分學(xué)生的濾紙條上能觀察到4條不是很整齊的色素帶。小組間補充完善得出實驗成功的關(guān)鍵之處:

①畫濾液細線時確保細且直，使色素擴散均勻；

②濾液細線干后再畫，確保濾液細線較細，使色素跑得更加整齊，重復(fù)畫2～3次，使濾液細線上的色素多一些，分離后的色素帶更加清晰；

③濾液細線高于層析液液面，否則色素溶解到層析液中，將得不到清晰的色素帶；

④研磨時加入少量SiO2使研磨更充分，便于色素完全釋放；

⑤加入少量CaCO3，可以中和細胞內(nèi)的有機酸，防止有機酸破壞葉綠素；

⑥研磨要迅速充分，葉綠素不穩(wěn)定，易被破壞，時間過長或研磨不充分都會導(dǎo)致色素的量太少而使實驗失敗；

⑦制備濾紙條時，要剪去兩角，這樣可以減小邊緣效應(yīng)，使色素在濾紙上擴散均勻；

⑧收集濾液后，要及時用棉塞將試管口塞緊，防止濾液揮發(fā)。

設(shè)計意圖:以菠菜葉中光合色素的提取和分離實驗為情境，學(xué)生自己動手提取和分離光合色素，然后展示實驗結(jié)果并進行相互評價，提高了動手能力、實驗結(jié)果的交流評價與討論能力。同時，設(shè)計實驗成功的關(guān)鍵步驟等問題引導(dǎo)學(xué)生對整個過程進行反思，讓學(xué)生理解每一步驟的目的，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。

4.3.4 任務(wù)三:設(shè)計實驗探究光合色素對單色光的吸收情況

教師提出問題:色素對不同單色光的吸收情況是否相同？

學(xué)生根據(jù)新鮮菠菜葉片，利用單色光激光筆（模擬紅光、藍光和綠光）等設(shè)計實驗，探究光合色素對單色光的吸收情況。其中，有四組提出的實驗方案相同，即用激光筆照射菠菜色素提取液，用體積分數(shù)為95%的乙醇溶液作對照。實驗結(jié)果是綠光能穿透、紅光和藍光無法穿透。兩組提出用不同激光直接照射菠菜葉片，觀察激光穿透情況。實驗結(jié)果顯示三種激光都能穿透一片菠菜葉。各小組交流后一致認為與色素含量有關(guān)，于是改進實驗，增加葉片數(shù)量。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)增加到4片菠菜葉時，紅光和藍光均無法穿透，綠光仍然能穿透。有學(xué)生提出，用激光直接照射菠菜葉片的說服力不夠強，因為菠菜葉片中除了色素，還有其他物質(zhì)會干擾。其他學(xué)生一致認可第一種方案。

設(shè)計意圖:教師提供實驗材料，學(xué)習(xí)小組討論、設(shè)計并實施實驗方案，培養(yǎng)了創(chuàng)造性思維。通過小組間相互評價、質(zhì)疑實驗方案，培養(yǎng)學(xué)生的交流、評價能力以及嚴謹?shù)乃季S習(xí)慣。

4.3.5 任務(wù)四:興趣小組實驗結(jié)果在課堂展示

學(xué)生代表匯報實驗內(nèi)容，教師對學(xué)生再交流過程中提出的困惑給予幫助。

各小組派代表匯報實驗過程:

①取0.5 g黑藻葉片浸入10 mL體積分數(shù)為95%的乙醇溶液，浸泡48 h；取上清液稀釋后用于測定對不同波長光的吸收情況，體積分數(shù)為95%的乙醇溶液作對照。

②在波長400～700 nm范圍內(nèi)，每隔30 nm測色素的光吸收值。

③記錄實驗結(jié)果，對所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

實驗結(jié)果見表1和圖1。各小組與興趣小組學(xué)生交流。有學(xué)生提出:為什么黑藻色素提取液對不同波長光的吸收結(jié)果與教材圖3-20葉綠素a的吸收光譜不一致？學(xué)生交流討論后，認為:黑藻色素提取液中不只含葉綠素a，本實驗結(jié)果是所有色素對不同波長光的吸收情況。

設(shè)計意圖:任務(wù)三是光合色素對不同單色光吸收的定性研究，高中學(xué)生更應(yīng)該學(xué)會進行定量研究。由于時間限制，讓全體學(xué)生全程參與并不現(xiàn)實，因此通過組建興趣小組來完成這一實驗。興趣小組學(xué)生在課前借助分光光度計等實驗設(shè)備探究光合色素對不同波長單色光吸收的定量研究，課堂上分享實驗過程和實驗結(jié)果，并構(gòu)建出數(shù)學(xué)模型用于課堂展示和交流，以實現(xiàn)全體學(xué)生體驗真實探究過程。

表1 黑藻色素提取液對不同波長光吸收情況的記錄表

圖1 黑藻色素提取液的吸收光譜

4.4 課后拓展

教師圍繞葉綠體中光合色素的種類和功能這一核心內(nèi)容，建構(gòu)知識體系，組織學(xué)生對如何提高生產(chǎn)實踐中的光合效率提出有價值的建議。

5 教學(xué)反思

5.1 重視科學(xué)探究

在今天的教育背景下，生物學(xué)教師無論在課堂上還是實驗操作中，都要不斷培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑提問能力。由于科學(xué)探究的要素之一就是提出問題，不斷將問題作為探究的出發(fā)點，因此本節(jié)課采用“任務(wù)—實踐—討論”相結(jié)合的教學(xué)方法，并通過多種形式的實驗探究如光合色素的種類采取分組實驗、光合色素的功能采取演示實驗等以不斷培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。在探究活動過程中，教師要重視學(xué)生間的交流與合作，盡量安排足夠的時間讓學(xué)生對各種想法、觀點進行充分的交流和討論，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，不能為了趕進度而在學(xué)生還沒進行足夠的思考時草率地下結(jié)論。

5.2 注重科學(xué)思維

生物學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。學(xué)生親歷實驗是教學(xué)的重要內(nèi)容。本節(jié)課將葉綠體結(jié)構(gòu)等內(nèi)容與光合色素的種類和功能等實驗結(jié)合起來，使實驗成為“教”的手段，也成為學(xué)習(xí)、認識科學(xué)方法的手段。學(xué)生通過實驗，充分體會控制變量（如光合色素的功能中的自變量、因變量、無關(guān)變量以及對照實驗）等科學(xué)實驗方法，結(jié)合數(shù)學(xué)建模（黑藻色素吸收光譜曲線），培養(yǎng)敢于質(zhì)疑、創(chuàng)新、猜想的科學(xué)精神，為以后的創(chuàng)新發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

教師讓學(xué)生自我設(shè)計實驗探究光合色素對不同單色光的吸收情況，然后根據(jù)教師所提供的材料進行演示，讓學(xué)生在手腦并用的活動中迸發(fā)出創(chuàng)造的火花，提高學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計能力，實現(xiàn)科學(xué)思維的培養(yǎng)。