“光合作用的发现过程”的教学设计

姜中玉

(江苏省南京市金陵中学 210005)

1 教材分析

“光合作用的发现过程”是苏教版高中生物学教材《分子与细胞》第4章第2节的内容，是在学生学习了叶绿体、ATP和酶的内容之后，对细胞内代谢活动相关知识的学习，可为“光合作用过程”的学习作铺垫，同时与必修3“生态系统的物质循环”有着一定联系。本节包含的几个重要实验，对光合作用概念的得出起到决定性作用。因此，有必要认真分析实验的方法、材料和相关技术。其中通过各实验结论得出光合作用的概念和反应式是教学重点，而引导学生对实验进行分析，学会实验设计的相关原则是教学难点。教师在教学中应注重引导，帮助学生自主得出光合作用概念和反应式，同时加强科学实验原则和精神的教育，培养学生的探究精神。

2 教学目标

2.1 知识目标 举例说出科学家发现光合作用的实验，简述相关实验的过程；简述光合作用概念，说出光合作用反应式。

2.2 能力目标 分析科学家的实验设计思路、选材、过程和结果，得出实验结论；运用科学探究一般步骤和实验设计相关原则尝试进行实验设计。

2.3 情感态度与价值观目标 参与实验设计和结果讨论，形成科学探究理念，感受科学家实验设计的精妙之处，学习科学探究的态度和方法。

3 教学过程

3.1 设置情境，导入新课 展示玉米拔节生长、大牡竹生长图片，并介绍：玉米在拔节生长期间，每天可以长高8 cm以上。如果夏季的夜晚站在玉米地里，甚至能听到玉米拔节生长“咔咔”的声音；大牡竹曾有每天增高41 cm的记录植物为什么能生长？学生很容易说出光合作用，教师进而提出：光合作用需要哪些物质？产生了哪些物质？这节课让我们一起学习并了解光合作用的发现过程。

设计意图：多媒体展示图片，教师介绍学生从未经历或从不知道的小知识，引发学生的兴趣和学习积极性。

3.2 光合作用的发现过程 通过光合作用发现中的几个重要实验，分析科学家的实验方法，让学生体会科学家实验设计的精妙之处，学习科学探究的态度和方法。

3.2.1 海尔蒙特的实验(1664年) 补充材料“亚里士多德的猜想”：植物增加的重量等于土壤减少的重量。提问：亚里士多德为什么有这样的想法？该想法是否正确？如何通过实验证明？学生提出问题，作出假设，教师给予相关实验材料做提示，学生回答设计思路。提问：设计该实验的关键点是什么？如何称重？学生讨论回答后，教师顺此提出海尔蒙特实验：海尔蒙特的设计与我们的是否一样？如何减少称量误差？他得出了什么结论？在学生回答相关问题的基础上，教师板书“水”，并继续设问：海尔蒙特的实验有一个重大的实验方法上的突破，你们知道是什么吗？学生思考，教师适时点拨：海尔蒙特第一次采用了定量的方法研究了植物生长所需要的物质，这是一个巨大的进步，他成为对光合作用定量研究的第一人。但是，他的结论是否完全正确？通过该问题过渡到普利斯特莱的实验。

设计意图：应用资料及提出问题让学生设计实验，指出海尔蒙特是光合作用发现史上第一个定量研究的科学家，让学生感受科学家的实验思路和方法。

3.2.2 普利斯特莱的实验(1771年) 展示密闭钟罩中燃烧的蜡烛和小鼠图片，蜡烛熄灭，小鼠死亡。教师讲述：这一现象使普利斯特莱想到，空气在燃烧和小鼠呼吸中被污染了。他设想，能否把受污染的空气加以净化，于是便想到了植物。提问：普利斯特莱为什么会想到植物？你认为普利斯特莱接下来会怎么做？接着引导学生分析实验，明确对照原则，指出这是该实验值得借鉴之处。设问：实验结果说明了什么？以你们现有的知识，能说出植物更新的是什么吗？板书：CO2、O2(CO2写在反应物一侧，O2写在产物一侧)。

设计意图：将探究的思想和生活实践融入实验的讲解过程，从自变量、因变量、无关变量角度分析，强调实验的对照原则，以及科学实验设计方法。

3.2.3 英根豪斯的实验(1779年) 多媒体呈现资料1：多位科学家重复普利斯特莱的实验时，有的成功，有的失败。提问：实验中可能有哪些因素造成实验失败？资料2：荷兰的英根豪斯发现，普利斯特莱的实验只有在光下才能成功。提问：植物更新空气需要的条件是什么？用该方法能看见释放的气体吗？有无更好的方法证明植物确实释放了气体？进而提出英根豪斯的实验，指出该实验的关键在于实验材料和方法的改进，直至1785年，科学家才明确绿叶在光下放出的是O2，吸收的是CO2，说明技术进步对科学发展具有重要的推动作用。顺此设问：能否将释放的气体收集起来？学生回答，并展示黑藻光合作用的氧气收集实验(课前准备)。

设计意图：通过补充资料让学生了解更多光合作用发现史实，一方面增加学生知识，提出问题引导学生思考；另一方面让学生感受到科学发展之路是一条艰辛坎坷的路。问题的设计层层推进，最后联系其他学科知识设计实验并当堂展示，将课堂推入一个小高潮。

3.2.4 萨克斯的实验(1864年) 由问题“我们知道植物在光合作用中释放了O2，而植物却能慢慢长大，是什么物质留在了植物体内？”引入萨克斯的实验。学生在初中已接触过该实验，可以问题形式让学生理解科学家的实验方法及结果即可。问：①为何要在黑暗处处理一昼夜？②实验是如何作对照的？③为何要对盛叶片的酒精水浴加热而非直接加热？④实验结果说明什么？教师指出该实验的进步之处是采用了脱色、染色等化学鉴定方法，属于实验技术的进步。板书：淀粉。

设计意图：从科学实验方法和技术进步的角度引导学生分析，用问题探究式学习该部分内容，强调实验中的对照处理和实验方法。

3.2.5 恩吉尔曼的实验(1880年) 补充资料：英根豪斯在验证了植物能在光下更新空气以后，又对植物的不同部位进行了研究，发现只有植物的绿色部分才能释放出气体。这是什么原因造成的？由此引入对光合作用场所的学习。教师展示恩吉尔曼实验，介绍水绵和好氧细菌，说明选材的巧妙性。设问：①实验开始时为何要在黑暗和隔绝空气的条件下？②该条件下用极细的光束照射时细菌如何分布？③实验是如何对照的？④完全曝光时细菌如何分布？⑤实验结果说明什么？教师总结：光合作用的条件和场所。板书：光、叶绿体(将光合作用反应式补充完整)。 由学生描述什么是光合作用，得出概念。

设计意图：将实验材料的介绍作为知识铺垫，在此基础上提问，让学生进行分析。在反应物、产物、条件、场所都已明确的情况下写出光合作用反应式，让学生自主建构，得出光合作用概念。

3.2.6 鲁宾、卡门的实验(1940年) 教师讲述：光合作用反应式已经得出，但科学家并不满足于此，他们希望彻底弄清楚光合作用的过程，或许将来某一天能够人工模拟光合作用，解决能源、粮食危机等。教师围绕反应物H2O和CO2都有氧元素提出问题：产物中的O2来自于H2O还是CO2？怎样探究元素的转移路径？(生：同位素标记法)学生做出假设并设计实验，预测实验结果得出结论。教师点评，播放实验模拟动画，引导学生分析得出结论。

设计意图：本部分实验设计有一定难度，可侧重在对科学探究方法的掌握，如怎样做出假设，设计实验，怎样对结果进行预测，得出结论。

3.2.7 卡尔文的实验(1948年) 本实验不要求学生掌握，只需要了解实验用到的是同位素标记法即可。教师可以补充资料，简单介绍卡尔文的实验结果，说明光合作用的产物并非只有淀粉，让学生明白脂肪、蛋白质都是光合作用的产物。将板书上的“淀粉”改成“有机物”。

设计意图：利用该实验说明光合作用的研究在继续，并对“光合作用产物是有机物”进行解释。

3.2.8 总结 教师对本节课实验做小结(表1)。举例说明光合作用的新发现及未解决的问题，鼓励学生努力学习，将来为科学发展做出自己的贡献。

表1 光合作用的发现实验总结

4 教学反思

本节课的主要内容涉及科学发现史，其中汇集了多位科学家的智慧，通过科学家的实验结论，使光合作用的概念逐渐完善，有利于将实验的思想、方法、科学精神等传递给学生，让学生学会分析，学会科学实验方法。教学中贯穿本节课的主线有：①按时间顺序将科学研究过程呈现给学生，在这个过程中分析每位科学家的实验；②在不同的实验中渗透科学实验一般过程和方法。针对不同的实验设计不同的问题，将科学实验方法于无形之中传授给学生，而非刻意为讲实验题而讲实验设计。问题设计的难度适中，具有一定的延展性和宽度，这样有益于激发学生学习的积极性和创造性，也容易实现师生情感共鸣。此外，本节课播放动画或视频较少，而以展示实验为主，可收到更好的效果。