促进深度学习的项目式实验教学——以“探究环境因素对光合作用强度的影响”为例

广东省中山市桂山中学(528463) 蒋素梅

广东省人教版普通高中生物学教科书(2019版)(以下简称新教材)的使用标志着新课程改革进入了具体实施阶段，新课标新高考背景下，如何具体实施高中生物新教材实验模块？改变传统的实验教学方式，探讨有效的实验教学策略，是每个高中生物教师需要面对的问题。项目式教学主要是指教师作为引导者，辅助学生实施一个完整项目而进行的一种教学活动。在项目探究过程中，学生通过小组合作的方式对某一学科的具体科研问题进行探究。在探究过程中会涉及学科交叉、领域融合的综合性研究模式。

“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验，是“光合作用”一节中要求开展的一个重要实验。本节课内容在培养学生的动手操作、数据分析和联系生活实际等综合能力方面具有较高价值。新教材有关此实验的编写与老教材(2017版)相比作出了一些改进(见表1)。按照传统的教学方式和课本内容进行操作，会存在以下问题：内容单一、耗时较长、实验材料效果不明显、实验装置难以控制变量等。而本实验具有实践性和开放性的特点，自变量(环境因素)可以是光照强度、光质、温度、CO2浓度等，因变量(光合作用强度)可以通过O2、CO2、有机物积累量等来反映；可以自选实验材料、自行设计实验装置和实验方法来开展探究，是实践新课程理念、转变学生的学习方式——提倡“自主、探究和合作”、促进深度学习的理想实例。笔者尝试带领学生采用项目式教学方式，对该实验进行了优化、整合和开发，以期提升学生科学思维、科学探究和社会责任的学科核心素养，进而由以知识积累为主的简单学习过渡到思维品质培养的深度学习。

表1 人教版新教材与老教材内容比较

1 采用项目式教学策略，优化教学过程

本文以“影响光合作用强度的因素”为总项目，由学生讨论拆除为各个子项目——探究某单一因素(光照强度、光质、温度、CO2浓度等)对光合作用强度的影响。通过小组分工合作学习的方式分别开展融合各学科知识的项目探究，再进行组间合作交流。具体教学流程、教学过程如图1所示。

图1 教学过程

2 通过项目探究，自主优化实验方法

学生在项目探究的过程中会出现生成性问题，从而引起新的探究项目，主要体现在以下几方面：

2.1 关于植物材料的选择

由于不同植物的光合作用强度很大程度由遗传因素决定，同种植物甚至同一植株的不同叶片由于发育等原因，光合作用强度也会有很大差异，因而在实验过程中需对实验材料进行标准处理，用打孔器获得大小一致的小叶圆片。学生在实践操作中发现，不同植物叶圆片的制取和处理难易程度不同，新教材中建议采用菠菜叶和吊兰叶，学生实践操作发现:菠菜叶片较薄较软，打孔易卷边或破损，很难保证叶圆片大小一致，抽气后下沉率不高；而吊兰叶片又太硬，也不易大量获得。教师带领学生比较校园内几种常见的植物叶片：大红花叶、绿萝叶、菠菜叶、红雀珊瑚叶、鱼腥草叶、落葵叶(又名木耳菜)等，发现在制取和处理叶圆片过程中，大红花叶、南非叶等抽气后叶圆片很难下沉；红雀珊瑚叶、木耳菜叶、鱼腥草叶等抽气后叶圆片易下沉于注射器底部，且受光照后上浮现象明显，为较理想的实验材料。比较发现这些叶片的共同特征是：叶片大、肥厚、叶脉细少、软硬适宜且叶绿体含量丰富。

还有学生提出：叶圆片的制取与处理耗时太长，可以采用单细胞植物(小球藻)或小型水草(如黑藻、金鱼藻)直接进行实验。用“氧气传感器法”或者“液滴移动法”直接检测装置中氧气的变化情况(见图2)，可省去制取叶圆片的繁琐步骤。

图2 小球藻的光合作用

2.2 关于对实验装置的创新

新教材建议采用LED冷光源灯作为光源，可避免传统的白炽灯产热对实验造成的影响，但在“光照强度”的控制上，还是利用小烧杯与光源的距离来调节，学生在实践操作时发现：各组之间光线会相互干扰、叶圆片受光不均匀、自变量的控制不够精准、光强下降明显而导致耗时长等问题。学生通过搜集资料发现，近年来有很多同行自制了专门的实验装置，各类实验装置各有特点，但是在实践操作过程中发现，几乎都会遇到同一困难：制作过程复杂、成本高，很难在高中大班教学中普遍开展。针对这一问题，教师带领学生利用实验室废弃的显微镜箱重新自制装置(见图3)，用于学生的分组实验探究活动。此装置具有以下优势：①实现废物利用，成本低且制作简单，只需在废弃显微镜箱子上端安装1根导线(导线两端分别装上灯头和插头)；可应用于大班教学，完成小组合作探究实验；②此装置聚光效果好，可通过调节导线的长度控制光照距离，可使实验在预设的条件下进行，有效地排除其他因素(光线、温度等)的干扰；③可一箱多用，调换不同的LED灯泡，可用于探究其他环境因素(如光照强度、光质等)的影响。

图3 灯箱装置

2.3 关于对水溶液中CO2的控制

叶圆片进行光合作用需要充足的CO2的水溶液。老教材通过用嘴吹气的方法补充CO2，该方法的弊端是无法将其量化；新教材增加了可以用质量分数为1%～2%NaHCO3溶液为植物光合作用提供所需的CO2。多数学生对此不能理解，提出一系列问题：①NaHCO3为植物光合作用提供所需的CO2的原理是什么；②1%～2%NaHCO3溶液pH约为8.4，碱性环境会不会影响叶圆片光合作用的发生；③不同浓度NaHCO3溶液能否代表环境中不同的CO2浓度；④叶圆片上浮是因为光合作用放出O2的增加还是因为溶液中CO2的浓度增加引起的？

针对这一系列问题，学生进一步深入探究。例如：NaHCO3溶液能否为植物光合作用提供所需的CO2？学生以小球藻为材料，分别将其置于装有适量清水、1%NaHCO3、2%NaHCO3、3%NaHCO3的密闭容器在中室温(26 ℃)条件下培养，3天后发现，在1%NaHCO3溶液中小球藻生长最旺盛，2%NaHCO3溶液中小球藻生长较旺盛，而在清水和3%NaHCO3溶液中小球藻几乎不生长。实验结果说明浓度为1%～2%的NaHCO3溶液能为植物光合作用提供所需的CO2，有利于小球藻的生长和繁殖,而CO2浓度过低或者NaHCO3浓度过高会抑制植物进行光合作用，从而影响植物的生长和繁殖。

2.4 关于实验统计和分析方法的创新

充分利用信息技术完成对实验结果的统计分析。由小组派代表汇报本小组实验方案和实验结果。在课堂上利用事先设计好的Excel表格，各组将实验结果输入，然后汇总分析各小组、全班、全年级的数据曲线图，对实验大数据当堂进行综合分析处理。通过组间合作，深入探究，得出结论。

3 教学反思

新高考新课标背景下高中生物实验教学应转变教学观念、调整教学策略、加强综合教学。笔者带领学生用更加生动、灵活的项目式教学方式开展实验教学：以“精准扶贫”“如何提高农作物的光合作用强度”为问题情境，以“影响光合作用强度的环境因素”为总项目，将STEM教育理念融入高中实验课堂教学中。小组合作开展融合各学科知识的项目探究活动，而项目探究过程中会出现生成性问题，引起新探究项目，使得探究内容在教材的基础上适当地展开延伸，变得更加丰富和完善。利用简单易得的用品和材料独立设计实验装置来完成课堂实验，充分利用学校现有的条件给学生实践的机会。利用网络信息技术实现实验资源、实验过程、数据共享，大大提高了数据的处理效率。课后教师结合整个实验过程设计了实验评价表，对学习情况进行了及时反馈。项目式教学，让学生经历一次深度的实验探究过程，在自主解决问题的过程中引导学生深度学习，充分发挥了实验教学在提升学生核心素养方面的作用。