通过实验探究建构生物学核心概念的教学策略——以“光照强度对黑藻光合作用的影响”为例

丘城锋

(广东省广州市东圃中学 广州 510660)

核心概念是位于学科中心的概念性知识，包括对概念、原理、理论等的基本理解和解释，这些内容能够展现当代学科图景，是学科结构的主干部分[1]。《普通高中生物学课程标准(2017年版)》要求教师在设计和组织教学活动时，应该围绕大概念和重要概念开展教学活动，促进学生对生物学概念的建立、理解和应用[2]。

心理学家皮连生指出任何知识的获得都必须通过学生的同化才有可能[3]。由此可见，概念教学不是让学生简单牢记概念的定义，而是引导学生解释和探索感悟生活中的现象，对情境现象产生认知冲突，理解概念的内在原理，帮助学生将科学概念、科学思维和实验探究技能等方面的素养融合一起。学生对核心概念的理解离不开重要概念的形成，从核心概念的外延出发，拓展和延伸出相关重要概念，促使学生形成知识体系，全面理解核心概念。

“环境因素对光合作用强度的影响”是教材中的探究性实验，本文以“光照强度对黑藻光合作用的影响”进行实验探究教学，培养学生的探究思维，引导学生构建与光合作用相关的重要概念，帮助学生建立生物学观念和重要概念，促进对核心概念的理解深化，使探究性实验成为学生掌握生物学概念的方法和途径。

1 探究性实验在构建重要概念教学的理论模式

探究性实验可使学生从核心概念外延出发，针对问题探究来获取和构建知识，从而聚焦重要概念的理解和掌握。图1为探究性实验过程中重要概念构建模式图，通过探究性实验活动让学生在所探究的问题中，发现和获取新知识，构建重要概念，最后聚焦核心概念。

图1 实验探究过程中构建重要概念教学理论模式

2 剖析核心概念，引申核心概念外延

人教版教材中“光合作用”是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转换成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。该概念明确光合作用的生物类型、场所、能量转换、原料和产物。核心概念有其特定的内涵和外延，引导学生理解这一点，才能更好地掌握和理解核心概念。对光合作用核心概念内涵的剖析就是光合作用概念的延伸，如通过光照强度对光合作用的影响外延出光反应、光合作用强度、总光合作用、净光合作用、光补偿点、光饱和点等重要概念(表1)。

表1 “光照强度对光合作用的影响”核心概念知识梳理

3 探究性实验在概念建构中的教学策略

概念的学习始于问题，概念是在研究问题的过程中建立的，大概念是在解决一系列问题串的过程中，一步一步概括出来的[4]。实验探究过程就是学生的认知冲突的过程，将触发学生思维的碰撞，运用探究性实验来指导概念教学，教师需针对实验现象，创设“问题情境”引导学生进行交流探讨，鼓励学生自己观察、思考、提问，帮助学生获得新的认知，并通过文字描述、数字表格、曲线图等方式完成报告，揭示实验现象的本质，将核心概念延伸出去，实现对重要概念的构建和理解。

4 探究不同光照强度对黑藻光合作用的影响

4.1 提出问题和作出假设 依据教材光合作用的核心概念内涵，光合作用需在光照下进行，并且释放出氧气。引导学生据此提出问题： 不同光照强度会对黑藻光合作用产生怎样的影响？依据学生提出的问题，教师创设问题情境： 怎样判断光照下黑藻是否进行光合作用？是否只要有光，黑藻就会释放O2？不同光照强度，黑藻光合作用强度会怎样变化？针对情境问题，学生通过初步实验观察发现，在弱光下，黑藻的叶片没有附着气泡，说明弱光下黑藻没有释放O2，同时观察发现黑藻附着的气泡数目与光照强度有关联，由此引导学生作出假设： 在一定光照强度下，黑藻光合作用强度随着光照强度升高而增强。

4.2 探究过程 实验材料用具： 生长发育状况良好的黑藻、不同瓦数的LED光源、1% NaHCO3溶液、锥形瓶和U型管等。学生设计实验要经历辨别变量，即怎样设置自变量，怎样观察因变量，怎样控制无关变量。学生交流讨论后，依据实验作出的假设，实验自变量为不同光照强度(不同瓦数的LED光源)，因变量为1 h内O2的释放量(U型管液面上升的高度)作为衡量黑藻光合作用强度的指标。无关变量的控制需适宜且一致，如： 不同组别的实验要保证光源与装有黑藻的锥形瓶相同的距离，CO2缓冲液浓度和锥形瓶内NaHCO3溶液的体积相同，黑藻的生长发育状况和数量要一致，采用冷光源以更好地控制实验温度等。学生依据变量辨别，设计和完善实验，制定实验装置(图2)。

图2 “不同光照强度对黑藻光合作用的影响”实验装置

实验之前，学生设计和绘制表格，以便于在实验过程中观察并记录实验数据(表2)。为减少实验误差对实验结果的影响，教师引导学生思考： 如何获得更为准确的实验数据？学生在交流后，每组实验重复3次，获得相关实验数据后求其平均值。

表2 “不同光照强度对黑藻光合作用强度的影响”实验数据记录

数据转换，形成曲线图。学生根据表格的数据转换成坐标曲线图，教师引导学生如何绘制曲线图： 以光照强度(LED灯瓦数)为X轴，光合作用强度(U型管液面变化高度平均值)为Y轴，标明X轴与Y轴的刻度，随后根据表格数据在坐标轴上描点并绘制曲线(图3)，使实验结果更为直观形象地呈现出来。

图3 不同光照强度对黑藻光合作用的影响

4.3 表达交流中获取知识，构建重要概念，聚焦核心概念 教师引导学生整理实验数据，深入剖析实验数据，展开分析和讨论。设置下列问题： 光是如何影响光合作用的？实验是如何衡量光合作用强度的？U型管液面变化的距离代表什么？如何比较不同光照强度下，光合作用强度的强弱？学生针对这些问题结合实验过程中的现象和记录的数据进行交流讨论，依据光合作用的内涵来看，光是光合作用的条件之一，是能量的输入，参与光合作用光反应阶段。其外延是光通过光合色素的吸收、转化过程中，伴随水光解释放O2，从而构建起“光反应”和“光合作用强度”两个重要概念。

引导学生将表格数据转换成曲线图后对其进行解读。设置下列问题： 黑暗条件下，测得的数据A代表什么？所绘制的曲线与横坐标的交点B的含义是什么？A—B区间说明什么，同时让学生解释弱光下，黑藻的叶片为什么没有附着气泡？B—C区间说明什么？光照强度到达一定值时，光合作用强度不再增大时的最小光照强度C代表什么？针对上述问题，引导学生展开分析和讨论得出： 植物能否正常生长取决于净光合速率(总光合速率和呼吸速率的差值)，即必须高于B点(光补偿点)；光补偿点的高低一定程度上反映该植物能否适应弱光环境，光饱和点是植物生长最迅速所需的临界光照强度，超过这个光照强度，植物的光合作用强度不提高。

依据光合作用的内涵来看，氧气是光合作用的产物，本实验通过测定不同光照强度下U型管液面变化的距离来代表黑藻的光合作用强度，从而延伸出“呼吸速率”“光补偿点”“光饱和点”“净光合速率”“总光合速率”等重要概念。

教师通过创设问题情境贯穿实验探究的过程，引导学生聚焦并讨论和分析问题，有助于学生对光合作用知识的理解和迁移，最终建构多个与光合作用相关的重要概念。同时得出实验结论： 在一定范围内，随着光照强度的增强，黑藻的光合作用强度增强。通过对相关重要概念的构建，理解光合作用概念的内涵和外延，更深刻地认识光合作用的过程，揭示光合作用实质是实现物质和能量的转换，为细胞的生存提供能源物质，在此基础上形成生命观念，并能够用生物学核心概念解释生命现象。

5 基于探究性实验，聚焦概念学习的反思

探究性实验中，应重视学生的体验参与。例如实验中，学生将锥形瓶和U型管的塞子涂抹上凡士林，以保证实验装置的气密性。实验数据的准确记录和曲线图的绘制，培养学生的科学态度和数形转换能力。问题串驱动的交流讨论，使学生领悟到科学家在探究性实验中解决问题的思路和方法。

从光合作用的核心概念外延的教学中，拓展延伸相关的重要概念，要求教师不要“只讲概念”，而应该“构建概念”。学生是学习的主体，教师是引导者。学生通过探究性实验，将实验观察到的感性知识进行抽象和归纳，整合到自己原有的知识体系中，引发认知冲突和共鸣，进而摆脱对光合作用内涵的机械式记忆。探究性实验教学能使学生在构建相关重要概念的同时，真正去理解核心概念。

基于生物学核心概念的实验探究教学实际上就是建立在生物学事实、原理和规律上，直指核心概念内涵，是对生物学核心概念深度构建的过程，从而帮助学生将科学概念、探究技能、科学思维和生命观念等相融合。