“探究CO2浓度对光合作用强度的影响”教学设计及实施

摘 要：在核心素养的理念下，设计并实施了《探究CO2浓度对光合作用强度的影响》一课，旨在探究理念落地的途径和方法，突破教学难点.

关键词：实验设计;小组合作;光合作用

基金项目：韶关市级课题“高中生物分层教学研究”（项目编号：sgjky14008）.

作者简介：郭卫华（1983-），男，江西吉安人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学生物学实验教学.

1 教材分析与设计思路

光合作用是人教版高中生物《必修1·分子与细胞》的重难点，也是历年高考中的高频考点（近三年全国Ⅰ卷理综第30题）.CO2浓度又是影响光合作用强度的重要环境因素，因此，让学生设计并完成此实验不仅可以更好突破“CO2浓度对光合作用强度的影响”这一難点，还可以培养学生的小组协作能力，真正开展以学生为中心的多样化、多层次教学.

2 教学目标

2.1 知识目标

（1）应用实验设计的基本原则.

（2）解释CO2浓度等环境因素对光合作用强度的影响.

2.2 能力目标

学生学会设计实验、实施、分析实验数据及绘图的能力.

2.3 情感态度价值观

（1）通过小组合作的方式，学会学习并解决问题，并在合作与交流中分享解决问题的愉悦.

（2）体会科学精神并大胆的进行实践创新.

3 教学过程

3.1 课上学生活动：找茬并评价

从课前学生自行设计的实验方案中选取部分学生的实验方案并投影出来，找出该实验设计不合理的地方.

学生1方案评价：①各组的叶片数不相同，违背等量原则.②只说明光照时间相同，未阐明光的强度是否一样，易让人误以为有二氧化碳和光照强弱两个变量，不符合单一变量原则.

学生2方案评价： CO2量不具体，用嘴吹气口大口小不好把握，也未提到重复实验.

根据学生课前自行设计的实验方案，查阅相关文献并结合我校实验室的情况，教师与学生一同商讨并确定本节实验课的实验方案.

3.2 实验方案

实验原理：自然状态下的叶片是浮于水面的，如果抽出叶片内的气体，叶片会沉入水底.叶片进行光合作用产生的氧气将使沉于水底的叶片上浮.观察并记录同一时间内叶片上浮数.

3.2.1 分组及每组具体分工：

分组：每5个同学为一小组，全班一共10个小组，即有10个重复.

具体分工：一个负责整理叠叶片、一个负责打孔、一个负责抽气、一个负责装NaHCO3溶液、一个负责观察并记录.

3.2.2 主要材料用具：直径1cm的打孔器、注射器、灯光（每张实验台上均有4盏13W的节能灯）、不同质量分数的NaHCO3溶液、烧杯、玻璃棒、量筒、黑色袋子、菠菜等.

3.2.3 实验注意事项：①打孔时尽量避开大叶脉.②抽气要尽，确保各烧杯沉入的都是10片.③当抽气完成后，把叶片放入一个烧杯，做好避光处理.④观察并记录3min、5min、7min三个时间内叶片上浮数.

3.3 小组合作完成实验，分析结果并得出结论

3.3.1 对实验结果的分析：

对3、8、9、10共4个组的数据进行分析，由各自组的学生成员回答：

第3组：0.5%NaHCO3组与1%NaHCO3组相差1片，可以说是误差;第8、9小组：个别数据出乎意料，原因可能是虽然都是13W的节能灯，有些节能灯用的时间较长，有些是新换上的，所以，发出来的光的强度不同.即使都是新换上的，个别灯之间也很难保证发出来的光的强度一样，从物理学角度说，虽然最大功率相同，但额定功率也可能不同[1];

第10组：3个烧杯没有一片叶片上浮，可能的原因是抽气时抽得太猛，破坏了叶片中叶肉细胞及其结构，导致无法进行光合作用，所以，叶片不上浮.

3.3.2 结论：

将10个小组的数据当场输入并计算出每组NaHCO3浓度下上浮叶片的平均值（详见表4），尽管小组与小组之间有些差异，但还是体现出了一定的规律.

根据实验结果学生总结出结论：光合作用强度随CO2浓度的增加而加强[2].

老师提问：这位同学回答是否准确？

教师根据学生的回答进行补充：请加上一句“一定范围内”，为什么？

学生回答：光合作用存在CO2饱合点，当到达CO2饱和点时，光合作用强度不会随CO2的增加再加强（2017年全国Ⅰ卷第30题也曾考过），而且光合作用除受外界因素影响外，还受叶片本身（色素、酶）等影响.

3.3.3 问题升华

问题1：为何放入烧杯的都要10片，体现了实验设计的什么原则.如何确保每个烧杯中都是10片沉入水底？

答：体现了实验设计的等量原则和平行重复性原则.每个烧杯10片就是等于做了10个重复，这样做目的是防止偶然情况对实验的影响，保证实验结果可靠性.为确保10片都沉入水底，可一次多抽气几片，未沉水的叶片去掉不用，最后，保证每个烧杯中都是10片即可.

问题2：因每小组都有3个NaHCO3浓度的烧杯，当抽气完一个烧杯时是否需要将烧杯避光，这样做的目的？

答：需要避光，排除烧杯未实验就受到光照的影响.等其它两个也抽气完一同进行光照，确保不同烧杯的光照时间都相同.

问题3：该实验是否遵循了对照原则？叶片没上浮可能的原因？

答：遵循了相互对照原则.叶片没上浮可能的原因：①抽气太久叶肉细胞已破坏，无法再进行光合作用;②NaHCO3溶液浓度过高，细胞的失水过多导致的气孔关闭，光合作用太弱等.

3.3.4 学生课后能力拓展：根据学生记录了3min、5min、7min三个时间内叶片上浮数，画出各组不同时间内叶片上浮数，培养学生动手绘图能力.

4 教学体会

本节课的设计以新课程标准（2017年版）理念为指导，开展以学生为中心的多样化分层次教学.在课前先让学生动脑自行设计实验方案;教学中展示学生的作品，先肯定了学生的实验设计工作，后让其它同学也参与实验方案的修改，进而学生以小组合作探究的方式完成实验，让学生积极参与，真正的体现了学生的主体性.实验结束后学生当场输入实验数据并在投影上呈现，这让学生感受到自己的劳动成果当场被老师肯定.最后，学生对实验数据进行分析，既培养了分析实验数据的能力，又让学生满怀科学精神进行大胆的实践创新.学生在合作与交流中，通过主动探究来体验实验结论产生的过程，分享到了解决问题后的愉悦，也让他们真正地学会学习.

影响该实验的因素太多，如叶片的选择与打孔，抽气的力度和来回的重复数，甚至气温、水温等等，尽管一直在尽力控制无关变量，但毕竟是人做实验而非机器，所以，组与组之间有的差异比较明显，但整体的规律是一致的（一定范围内，光合作用强度随CO2浓度的增加而加强）.为保证实验结果的可靠性，设置了10组重复.此实验当时天气为小雨，气温12℃～16℃，材料为菠菜叶，因此，实验的数据仅供参考.

通过此實验发现，并不是NaHCO3溶液的浓度越高越好[3]，从（1、3、5、6）这四组实验数据也发现了0.5%NaHCO3溶液与1%NaHCO3溶液在到达7分钟时差异不明显.通过实验还发现，当NaHCO3溶液的浓度太高时，同样的打孔和抽气操作，在0.25%NaHCO3溶液与0.5%NaHCO3溶液中的叶片能沉入水底，但在NaHCO3溶液浓度太高时，不一定能沉入水底，或许这与化学上物质的量浓度（物理学上的密度）有关.此外，如果外界NaHCO3溶液浓度过高，即使发生光合作用也不一定很强，这应该与细胞的失水过多导致的气孔关闭有关，更详细原因可待进一步深究.

参考文献：

[1]郭卫华.探究光照强弱对光合作用的影响[J].中学生物学，2015，31（09）：41-42.

[2]王忠等.植物生理学[M].北京：中国农业出版社，2000：174-175.

[3]管绍荣.溶液中NaHCO3对光合作用的影响[J].生物学教学，2005，30（07）：45.

（收稿日期：2019-08-28）