促進深度學習的項目式實驗教學
——以“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”為例

廣東省中山市桂山中學(528463) 蔣素梅

廣東省人教版普通高中生物學教科書(2019版)(以下簡稱新教材)的使用標志著新課程改革進入了具體實施階段，新課標新高考背景下，如何具體實施高中生物新教材實驗模塊？改變傳統(tǒng)的實驗教學方式，探討有效的實驗教學策略，是每個高中生物教師需要面對的問題。項目式教學主要是指教師作為引導者，輔助學生實施一個完整項目而進行的一種教學活動。在項目探究過程中，學生通過小組合作的方式對某一學科的具體科研問題進行探究。在探究過程中會涉及學科交叉、領域融合的綜合性研究模式。

“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”實驗，是“光合作用”一節(jié)中要求開展的一個重要實驗。本節(jié)課內容在培養(yǎng)學生的動手操作、數(shù)據(jù)分析和聯(lián)系生活實際等綜合能力方面具有較高價值。新教材有關此實驗的編寫與老教材(2017版)相比作出了一些改進(見表1)。按照傳統(tǒng)的教學方式和課本內容進行操作，會存在以下問題：內容單一、耗時較長、實驗材料效果不明顯、實驗裝置難以控制變量等。而本實驗具有實踐性和開放性的特點，自變量(環(huán)境因素)可以是光照強度、光質、溫度、CO2濃度等，因變量(光合作用強度)可以通過O2、CO2、有機物積累量等來反映；可以自選實驗材料、自行設計實驗裝置和實驗方法來開展探究，是實踐新課程理念、轉變學生的學習方式——提倡“自主、探究和合作”、促進深度學習的理想實例。筆者嘗試帶領學生采用項目式教學方式，對該實驗進行了優(yōu)化、整合和開發(fā)，以期提升學生科學思維、科學探究和社會責任的學科核心素養(yǎng)，進而由以知識積累為主的簡單學習過渡到思維品質培養(yǎng)的深度學習。

表1 人教版新教材與老教材內容比較

1 采用項目式教學策略，優(yōu)化教學過程

本文以“影響光合作用強度的因素”為總項目，由學生討論拆除為各個子項目——探究某單一因素(光照強度、光質、溫度、CO2濃度等)對光合作用強度的影響。通過小組分工合作學習的方式分別開展融合各學科知識的項目探究，再進行組間合作交流。具體教學流程、教學過程如圖1所示。

圖1 教學過程

2 通過項目探究，自主優(yōu)化實驗方法

學生在項目探究的過程中會出現(xiàn)生成性問題，從而引起新的探究項目，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

2.1 關于植物材料的選擇

由于不同植物的光合作用強度很大程度由遺傳因素決定，同種植物甚至同一植株的不同葉片由于發(fā)育等原因，光合作用強度也會有很大差異，因而在實驗過程中需對實驗材料進行標準處理，用打孔器獲得大小一致的小葉圓片。學生在實踐操作中發(fā)現(xiàn)，不同植物葉圓片的制取和處理難易程度不同，新教材中建議采用菠菜葉和吊蘭葉，學生實踐操作發(fā)現(xiàn):菠菜葉片較薄較軟，打孔易卷邊或破損，很難保證葉圓片大小一致，抽氣后下沉率不高；而吊蘭葉片又太硬，也不易大量獲得。教師帶領學生比較校園內幾種常見的植物葉片：大紅花葉、綠蘿葉、菠菜葉、紅雀珊瑚葉、魚腥草葉、落葵葉(又名木耳菜)等，發(fā)現(xiàn)在制取和處理葉圓片過程中，大紅花葉、南非葉等抽氣后葉圓片很難下沉；紅雀珊瑚葉、木耳菜葉、魚腥草葉等抽氣后葉圓片易下沉于注射器底部，且受光照后上浮現(xiàn)象明顯，為較理想的實驗材料。比較發(fā)現(xiàn)這些葉片的共同特征是：葉片大、肥厚、葉脈細少、軟硬適宜且葉綠體含量豐富。

還有學生提出：葉圓片的制取與處理耗時太長，可以采用單細胞植物(小球藻)或小型水草(如黑藻、金魚藻)直接進行實驗。用“氧氣傳感器法”或者“液滴移動法”直接檢測裝置中氧氣的變化情況(見圖2)，可省去制取葉圓片的繁瑣步驟。

圖2 小球藻的光合作用

2.2 關于對實驗裝置的創(chuàng)新

新教材建議采用LED冷光源燈作為光源，可避免傳統(tǒng)的白熾燈產(chǎn)熱對實驗造成的影響，但在“光照強度”的控制上，還是利用小燒杯與光源的距離來調節(jié)，學生在實踐操作時發(fā)現(xiàn)：各組之間光線會相互干擾、葉圓片受光不均勻、自變量的控制不夠精準、光強下降明顯而導致耗時長等問題。學生通過搜集資料發(fā)現(xiàn)，近年來有很多同行自制了專門的實驗裝置，各類實驗裝置各有特點，但是在實踐操作過程中發(fā)現(xiàn)，幾乎都會遇到同一困難：制作過程復雜、成本高，很難在高中大班教學中普遍開展。針對這一問題，教師帶領學生利用實驗室廢棄的顯微鏡箱重新自制裝置(見圖3)，用于學生的分組實驗探究活動。此裝置具有以下優(yōu)勢：①實現(xiàn)廢物利用，成本低且制作簡單，只需在廢棄顯微鏡箱子上端安裝1根導線(導線兩端分別裝上燈頭和插頭)；可應用于大班教學，完成小組合作探究實驗；②此裝置聚光效果好，可通過調節(jié)導線的長度控制光照距離，可使實驗在預設的條件下進行，有效地排除其他因素(光線、溫度等)的干擾；③可一箱多用，調換不同的LED燈泡，可用于探究其他環(huán)境因素(如光照強度、光質等)的影響。

圖3 燈箱裝置

2.3 關于對水溶液中CO2的控制

葉圓片進行光合作用需要充足的CO2的水溶液。老教材通過用嘴吹氣的方法補充CO2，該方法的弊端是無法將其量化；新教材增加了可以用質量分數(shù)為1%～2%NaHCO3溶液為植物光合作用提供所需的CO2。多數(shù)學生對此不能理解，提出一系列問題：①NaHCO3為植物光合作用提供所需的CO2的原理是什么；②1%～2%NaHCO3溶液pH約為8.4，堿性環(huán)境會不會影響葉圓片光合作用的發(fā)生；③不同濃度NaHCO3溶液能否代表環(huán)境中不同的CO2濃度；④葉圓片上浮是因為光合作用放出O2的增加還是因為溶液中CO2的濃度增加引起的？

針對這一系列問題，學生進一步深入探究。例如：NaHCO3溶液能否為植物光合作用提供所需的CO2？學生以小球藻為材料，分別將其置于裝有適量清水、1%NaHCO3、2%NaHCO3、3%NaHCO3的密閉容器在中室溫(26 ℃)條件下培養(yǎng)，3天后發(fā)現(xiàn)，在1%NaHCO3溶液中小球藻生長最旺盛，2%NaHCO3溶液中小球藻生長較旺盛，而在清水和3%NaHCO3溶液中小球藻幾乎不生長。實驗結果說明濃度為1%～2%的NaHCO3溶液能為植物光合作用提供所需的CO2，有利于小球藻的生長和繁殖,而CO2濃度過低或者NaHCO3濃度過高會抑制植物進行光合作用，從而影響植物的生長和繁殖。

2.4 關于實驗統(tǒng)計和分析方法的創(chuàng)新

充分利用信息技術完成對實驗結果的統(tǒng)計分析。由小組派代表匯報本小組實驗方案和實驗結果。在課堂上利用事先設計好的Excel表格，各組將實驗結果輸入，然后匯總分析各小組、全班、全年級的數(shù)據(jù)曲線圖，對實驗大數(shù)據(jù)當堂進行綜合分析處理。通過組間合作，深入探究，得出結論。

3 教學反思

新高考新課標背景下高中生物實驗教學應轉變教學觀念、調整教學策略、加強綜合教學。筆者帶領學生用更加生動、靈活的項目式教學方式開展實驗教學：以“精準扶貧”“如何提高農(nóng)作物的光合作用強度”為問題情境，以“影響光合作用強度的環(huán)境因素”為總項目，將STEM教育理念融入高中實驗課堂教學中。小組合作開展融合各學科知識的項目探究活動，而項目探究過程中會出現(xiàn)生成性問題，引起新探究項目，使得探究內容在教材的基礎上適當?shù)卣归_延伸，變得更加豐富和完善。利用簡單易得的用品和材料獨立設計實驗裝置來完成課堂實驗，充分利用學校現(xiàn)有的條件給學生實踐的機會。利用網(wǎng)絡信息技術實現(xiàn)實驗資源、實驗過程、數(shù)據(jù)共享，大大提高了數(shù)據(jù)的處理效率。課后教師結合整個實驗過程設計了實驗評價表，對學習情況進行了及時反饋。項目式教學，讓學生經(jīng)歷一次深度的實驗探究過程，在自主解決問題的過程中引導學生深度學習，充分發(fā)揮了實驗教學在提升學生核心素養(yǎng)方面的作用。