叶片光合速率和细胞呼吸强度测定教学案例

梅捷凯

摘 要 本实验是基于教材“探究环境因素对光合作用的影响”实验的拓展，将原实验结果的检测方法由定性测定改为利用传感器技术定量测定。学生运用数学的方法建模，简明、准确地描述事物之间的联系，形成科学思维的习惯。本实验采用“翻转课堂”教学方式，强调“以学为中心”，通过对植物细胞代谢这一特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论，使学生亲历科学探究过程，理解科学知识，学会科学方法，领悟科学思想，体验成功快乐，并乐于、善于团队合作，形成生物学核心素养。

关键词 光合速率 传感器 翻转课堂

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

1 教学指导思想

建构主义学习理论认为，知识的学习不是由教师向学生单向传递的过程，而是学习者在一定的情境下，通过教师和学习伙伴的帮助，利用必要的学习材料，自主地进行探究活动，完成知识和经验的意义建构，而这种建构是无法由他人所代替的。因此，在生物学实验教学时，教师要强调“以学为中心”，通过积极创设有效学习的环境和氛围，帮助学生亲历科学探究过程，理解科学知识，学会科学方法，领悟科学思想，体验成功快乐，并乐于、善于团队合作。

《普通高中生物课程标准（实验）》的“实施建议”中提出：“在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。教师应向学生提供机会学习量的测定，实事求是地记录、整理和分析实验资料、定量表述实验结果等。”本实验课是基于《必修1·分子与细胞》第三章第五节“探究环境因素对光合作用的影响”实验的拓展，将这一实验中实验结果的检测方法由定性测定提升为利用传感器技术定量测定。在定量测定过程中，学生会生成一系列问题，如原始数据的处理和转换、曲线的绘制和比较、异常数据的分析等。通过解决这些问题，学生能够很好地提升实验与探究能力、获取与处理信息的能力以及理解与表达能力。

本实验课设置为三个教学环节：课前准备、课堂教学、课后延伸。教学思路如图1所示。

2 教学目标

能够按照科学探究的要求设计出测定叶片光合速率的实验方案；

能够依据方案使用传感器及配套软件进行定量化测定，并运用数学的方法建模，简明、准确地描述事物之间的联系；

能够对实验的原始数据进行处理，对实验结果进行交流，对异常数据进行分析，形成科学思维的习惯。

3 教学重难点

教学重点：实验数据的获得、处理、转换与分析；

教学难点：实验数据的处理、转换；比较并评价实验数据的差异。

4 课前准备

4.1 学生方面

学生在课前自主学习教师提供的介绍本节课所需的实验装置和ELAB软件使用方法的微视频，掌握相关软件器材的使用方法，设计实验方案，并完成微视频中的练习。

4.2 教师方面

教师进行多次预实验选择合适的实验材料，尝试控制实验变量，并对预实验产生的异常数据进行分析。

4.3 器材方面

准备与实验有关的材料器具：电子实验室（ELAB）软件、数据采集器、CO2传感器、温压传感器、光强传感器、计算机、密闭透明同化室（有孔可插入传感器）、100 W白炽灯、橡皮泥、叶龄及大小相近的草绣球叶片若干、水浴控温装置、遮光布等。

5 教学过程

5.1 导入

教师提出本节实验课的任务：利用传感器技术测定真正光合速率。由于课前学生已通过微视频、小组讨论和实践操作，熟悉了实验方案和器材的使用，因此可以直接开始实验。

5.2 实验操作

师：用PPT展示分组要求：① 分10个小组，其中5组测表观光合速率，5组测细胞呼吸速率；② 按要求搭建实验装置；③ 使用软件建构3个坐标系（横坐标为时间，纵坐标分别为CO2浓度、光照强度和温度）；④ 进行实验，等待曲线生成。

学生活动：搭建实验装置并进行实验。

教学意图：整个实验过程中，教师基本上处于观察者的角色：观察学生能够正确搭建实验装置和进行预备性调试，是否按规程正确操作仪器。教师通过观察学生的操作，进行过程性评价。

5.3 实验结果预测

教师布置任务：① 要求学生预测并绘出CO2浓度变化曲线、表观光合速率随二氧化碳浓度变化曲线或细胞呼吸曲线（以CO2吸收/释放速率为指标）；② 请两个小组派代表在黑板上绘出预测曲线，并进行分析。

学生活动：在实验结果记录表相应位置，绘出两条预测曲线，小组代表在黑板上绘制，预测曲线走势并说明。

教学意图：① 检验学生对细胞呼吸和光合作用知识的掌握程度；② 通过自评互评，修正和弥补知识缺陷；③ 與后面实验所得数据进行比较。

5.4 数据处理、比较和分析

5.4.1 数据处理（以表观光合速率曲线为例）

师：实验能直接得到表观光合速率曲线吗？

生：不能，所得曲线为二氧化碳浓度随时间变化曲线（图2）。

师：那么应当如何处理现有数据获得表观光合速率曲线？（用二氧化碳的吸收速率表示表观光合速率）

学生讨论各种数据处理方法，最后决定先将数据进行转换，获得每100 s的平均二氧化碳浓度以及二氧化碳的吸收速率，然后将数据输入Excel软件（表1），使用软件生成表观光合速率曲线（图3）。

教学意图：① 引导学生将数据转换成格式规范的图、表；② 帮助学生提升对曲线解读和分析的能力，以及利用取点连线作曲线图呈现实验结果的能力；③ 帮助学生提升语言表达能力和小组合作能力。

5.4.2 比较所得曲线与预测曲线：

学生活动：① 上交实验结果记录表；② 针对与预测结果不同的曲线，由相应组派代表分析，并接受其他同学评价，找出问题产生的可能原因，讨论解决问题的方法。

教学意图：① 能在分析、总结证据的基础上，对实验现象做出合理的解释；② 利用实验结果的分析，帮助学生提升实验探究能力。

5.4.3 小组间数据比较

师：请同学们比较不同小组实验结果记录表，是否有差异数据？

各小组比较不同小组实验结果记录表，找出差异数据，讨论异常数据产生的原因，并分析如何处理。

教学意图：通过这种寻找差异数据的学习过程，学生的学习兴趣得到激发，并体会到了成功的快乐。

5.4.4 真正光合速率的计算

师：如何求得真正光合速率？

学生选定相同二氧化碳浓度和温度条件下所得的表观光合速率和细胞呼吸速率，获得真正光合速率。

教学意图：学生整合数据，提升理性思维。

5.4.5 总结体悟

师：请交流本节课上你的收获和感悟。

学生从实验操作、实验数据处理和分析等方面，讨论心得体会。

教学意图：在总结反思的基础上，产生新的问题，感悟科学是解决问题的活动的思想。

5.4.6 课后延伸

教师布置课后学习任务：① 布置课后作业；② 利用现有器材，设计实验探究其他环境因素对光合速率的影响。

学生保存实验结果，作为课后作业并上交，完成练习。

6 本实验课教学特色

6.1 制作特殊的水浴装置，解决了白炽灯照射下装置温度升高的疑难问题

本实验采用传感器、计算机以及相关软件进行表观光合速率和细胞呼吸速率的定量测定，比用传统实验方法所得到的实验结果更为直观。笔者设计制作了特殊的水浴装置，解决了白炽灯照射下装置温度升高的问题，使实验更加严谨（图4）。

6.2 采用“翻转课堂”的教学方式，弥补了传统课堂教学的不足

在课前准备环节，学生借助微视频自主学习，既可以自己掌控学习的节奏，又可以重复看視频，很好地弥补了传统教学模式中教师无法兼顾每一个学生的不足。而在课堂教学环节，教师更多地让学生尝试表达和讨论对实验结果的预测、对实验数据的处理和对异常数据的分析。“教师以学为中心”组织教学活动，更好地帮助学生提升实验与探究能力、获取与处理信息的能力以及理解与表达能力。

6.3 利用实验蕴含的科学方法，实施科学方法教育

如何对高中学生实施科学方法教育，一直是生物课堂教学中的一大难题。在本实验中，教师利用实验蕴含的科学方法，较好地实施科学方法教育。例如要求学生依据已有的信息，预测并绘出CO2浓度变化曲线、表观光合速率曲线或细胞呼吸曲线，并对实测数据进行处理、分析与比较。在此基础上，还要求学生运用已学知识对实验现象做出合理的解释，并感悟科学是一种解决问题的活动的思想。

本实验教学突出指向“以学为中心”，实施科学方法教育，切实落实了三维目标；同时，创新了实验手段和方法，采用传感器、计算机以及相关软件来定量测定叶片光合速率和细胞呼吸强度，是对教材实验很好的提升，具有较大的推广价值。