“利用传感器探究光合作用过程及影响因素”一节的教学设计

胡有红

摘要 以“传感器探究光合作用过程和影响因素”一节为例，通过整合和重构教材内容，将光合作用过程由教师直接讲授转变为定量探究，本节课使用传感器实时测量O₂或CO₂的变化来反应光合作用的实质，探究影响光合作用的环境因素，培养学生的科学素养。

关键词 传感器 实时测量 教学设计

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，实现信息的传输、处理、存储、显示、记录等要求。笔者以“探究光合作用过程及影响因素”一节为例，利用二氧化碳传感器和溶解氧传感器实时测量二氧化碳或溶解氧的变化，来研究光合作用过程和影响因素。

1教学背景分析

1.1教材分析

光合作用过程是人教版《必修1·分子与细胞》第五章第四节“能量之源——光和光合作用”第二课时的内容，包括光合作用的发现历程、光合作用过程、光合作用原理的应用，而光合作用的过程和原理的应用是本节内容的重点和难点。笔者尝试统整教材内容，提供科学史素材，采用探究式教学模式，让学生自主、合作构建光合作用过程。本节课采用传感器定量测量溶解氧或气液相密封实验器内CO₂的量，探究影响光合作用的环境因素。

1.2学情分析及课前实验准备

1.2.1学情分析

在介绍光合作用过程之前，学生已经就课本中光合作用研究的科学史为线索，遵循科学家的探索思路，总结出光合作用的探究历程。因为教材中介绍的科学史非常经典，学生认真学习其探索过程，等于沿着科学家的发现思路作了一次思维的探究，这对于本节课的学习是必要的。

1.2.2課前实验准备

在数字化实验室开展教学，配备14台网络计算机，学生三人一机为一组，共14组。实验器材：溶解氧传感器、二氧化碳传感器、数据采集器、磁力搅拌器、气液相密封实验器、500mL锥形瓶、台灯、凡士林、水生植物（碗莲）、陆生植物（绿萝）等。

2教学目标

（1）说明光合作用过程，研究影响光合作用强度的因素。

（2）尝试重构和统整课本内容，探究光合作用的建构过程，在理解生物学概念性知识的基础上形成生命观念；尝试用传感器进行有关实验和探究，培养理性思维、科学探究能力。

（3）通过对光合作用过程和影响因素的探究，认同科学是在不断的实验、探索和争论中前进的；认同科学研究需要具有质疑、创新和勇于实践的科学精神和态度，培养学生的社会责任。

3课例分析

本节课教学设计主要包括以下基本程序。

第一阶段：情境导入→演示实验→明确目标。

教师展示校园美景的图片，导入情境：四时之景，各有不同，唯有秋日，橙黄橘绿，最是好看。

教师设问：当同学们漫步在校园中，有没有意识到，身边的植物就是一个个能量转换器？教师引导学生明确能量转换器的核心是叶绿体，光合作用实质是利用光能把H₂O和CO₂合成糖类，释放O₂。

教师演示实验：

实验目的：

①用溶解氧传感器实时测量水中O₂的浓度来反映水生植物的光合作用。

②用CO₂传感器实时测量容器中CO₂的浓度来反映陆生植物的光合作用

实验装置：见图1和图2。

实验结果：

①4s内，溶解氧含量由0上升至2.32mg/L；

②420s内，气液相密封实验器内CO₂含量下降104ppm。

分析结果：直观展示了植物的光合作用需要消耗CO₂，并释放出O₂

设计意图：利用校园中学生熟悉的美景导入本节课，培养学生热爱学校、善于用生命观念认识生命世界、解释生命现象，由此开展本节教学内容一光合作用。利用传感器演示实验，通过计算机显示数据动态变化，直观显示植物光合作用消耗CO₂，释放O₂，开拓学生视野，培养学生学习生物学科的兴趣。通过情景导入，演示实验，明确本节课的教学任务，探究光合作用过程和影响光合作用强度的环境因素。

第二阶段：研读学材→引导探究→对话共构。

研读学材：教师提供学习材料，学生自主学习研读。学生观察图3，思考下列问题：①类囊体薄膜上的叶绿素吸收光能会丢失电子，可以从哪种物质中夺得电子？该物质失去电子后产物是什么？

②光解作用产生的H⁺被泵入类囊体腔内，在类囊体膜两侧形成跨膜浓度梯度，可以用来驱动什么物质合成？

③沿着电子载体传递的电子最终传递给“谁”？该物质得到电子后转变为哪种物质？

教师提供材料：卡尔文与其同事利用在伯克利刚发现的¹⁴C首次探明光合作用中的碳固定途径，并于1961年获得诺贝尔化学奖。实验材料为小球藻。实验方法是同位素标记法。实验过程：用¹⁴C标记的¹⁴CO₂，供小球藻进行光合作用，每隔一段时间取样，并立即杀死，然后将光合产物分开，鉴定被14C0s标记的产物。实验现象：0.5s后收集小球藻，分离鉴定出¹⁴C标记物为一种三碳化合物，用C₃表示；5s后收集小球藻，分离鉴定出¹⁴C标记物，除上述C₃外，还有一种六碳糖，用（CH₂O）表示。

教师提出问题：为什么每次取样后要立即杀死小球藻？在暗反应中CO₂经历怎样的反应历程呢？

引导探究：在学生观察图形的基础上，教师引导学生探究光反应过程中物质变化和能量变化。学生阅读材料，明确“C在叶绿体基质中转移路径是“¹⁴CO₂-¹⁴C₃-（¹⁴CH₂O）”。教师进一步引导学生：产生14C3的时候必然有一个¹⁴CO₂受体存在。科学家发现C₂和C₅都有可能是¹⁴CO₂受体。各学习小组思考、讨论。学生通过交流讨论，最终达成共识：在COs浓度快速上升的一瞬间，分别检测C₂和C₅含量的变化，含量降低的是受体。教师明确CO₂固定的受体是C₅。然后，教师继续追问：消耗的受体是如何生成的？从而引导学生建构出C₃被还原为有机物的同时生成C₅。

对话共构：教师要求每个小组的学生相互交流合作，在白板上画出光合作用场所、条件、具体过程。各学习小组分组展示成果，教师给予点评，引导学生完善光合作用的过程图，并总结光反应和暗反应之间的联系。

设计意图：教师通过统整和重构教材中的内容，变知识的直接呈现为合作探究，引导学生在合作探究的学习方式中不断地还原科学经典实验，从而提高学生的逻辑思维能力和发散性思维能力，使学生的探究意识、理性思维得到充分发展。

第三阶段：设计实验一实验探究一展示交流。

设计实验：在第一阶段教师演示实验基础上，学生设计实验，探究光照强度、光质对光合作用的影响。学习小组交流讨论，形成初步方案，教师协调引导，各组确定具体方案并实施。

实验探究：本阶段，各小组用CO₂传感器实时测量气液相密封实验器中CO₂的浓度来反映陆生植物的光合作用强度。1～6组探究光照强度对光合作用强度的影响（通过改变气液相密封实验器与台灯之间距离）；5～14组探究光质对光合作用强度的影响（在气液相密封实验器表面蒙上无色透明、红色透明、绿色透明、蓝色透明、黄色透明玻璃纸）。

展示交流：光合作用时间420s后，记录实验数据表1。

各个学习小组分析实验数据，得出结论：在一定范围内，随着光照强度的增加，光合作用强度增加；白光光合作用效果好于蓝光和红光，其次是黄光，绿光效果最差。在农业生产中为了提高农作物的产量，建议使用无色透明的塑料薄膜。教师要引导学生找出异常数据，分析原因。

设计意图：将枯燥的教师讲授知识转变为动手实验探究未知，提高课堂学习的有效性和兴趣性，在课堂教学中培养学生学科素养。

第四阶段：拓展思维→实验创新→总结反刍。

拓展思维：教师提出问题：实验中为什么每个气液相密封实验器中放置10片大小、形态、幼嫩程度相似的绿萝叶片？如何使每个气液相密封实验器中CO₂起始浓度相同？如何改变该实验装置，来探究CO₂浓度对光合作用强度的影响？实验中对光照强度的控制可通过调节灯泡与气液相密封实验器的距离来实现，还可通过调节什么来实现？如何消除温度对实验的影响？

实验创新：可以在气液相密封实验器中放入不同浓度的NaHCO₃溶液来探究CO₂浓度对光合作用强度的影响；对光照强度的控制可通过调节灯泡与气液相密封实验器的距离来实现，也可通过调节灯泡的亮度来实现；为了消除温度对实验的影响，可以采用LED冷光源灯泡或者在台灯与密封实验器之间加热屏障或实验过程中将自来水以一定速度灌至透明水槽（图4）。

总结反刍：进行有关实验和探究，学生学会控制自变量，观察和检测因变量，以及设置对照组和重复实验，分析实验过程中出现的异常数据。教师要引导学生分析异常的原因，以便改善实验装置。

设计意图：科学思维渗透于科学探究过程的各个环节，在学生形成生命观念、发展理性思维、进行科学探究的过程中，培养其社会责任意识，达到学以致用。

4教学反思

教师通过统整教材内容，提供科学史素材，让学生主动构建光合作用过程，提高了课堂教学的实效性；实验中使用传感器，可以直接在计算机中获得实验数据，并通过添加图表或折线圖等分析实验结果，得出结论，十分直观与简便，简化了以往课堂上繁琐的讲解、计算过程，既节约了时间又让学生直观易懂，同时培养了学生动手能力、分析数据能力、小组合作交流能力等，将生物学学科素养真正践行在课堂教学中。