从验证走向探究

王骏

摘要：探究性实验是学生发展科学探究能力的重要载体。教学“验证绿叶在光下吸收二氧化碳”实验时，基于学情，引导学生将验证性实验“升格”为探究性实验。具体包括以下3个探究步骤：初步讨论探究性实验方案，探究绿色植物在光下是否吸收二氧化碳，探究不同浓度二氧化碳对植物光合作用的影响。

关键词：生物实验教学;探究性实验;“验证绿叶在光下吸收二氧化碳”

生物学是一门以实验为基础的探究性自然科学，科学探究贯穿生物学学习的全过程。科学探究能力是学生应该形成和发展的生物学学科核心素养，而实验，尤其是探究性实验，是学生发展科学探究能力的重要载体。因此，我们可基于学情，将教材中的验证性实验“升格”为探究性实验，以拓展培养学生科学探究能力的路径。教学苏科版初中生物学八年级上册《绿色植物与生物圈中的碳氧平衡》一节中的“验证绿叶在光下吸收二氧化碳”实验时，笔者就做了这样的探索。

“升格”后的实验教学目标为：（1）探究绿色植物光合作用实验结果的生物学事实，并对证据进行归纳、概括与建模;（2）制订并实施绿色植物光合作用相关实验方案，探究绿色植物对于维持生物圈中碳氧平衡的重要意义;（3）尝试运用光合作用的相关知识解决生产、生活中的实际问题，探究绿色植物的光合作用实验的迁移价值。具体包括以下3个探究步骤：

一、初步讨论探究性实验方案

教材中，“验证绿叶在光下吸收二氧化碳”的实验方案如下：

1.取甲、乙、丙3只相同的大广口瓶（或无色透明塑料袋），在甲、乙瓶内各放入1盆枝叶茂盛的植株，丙瓶内不放植株。用橡皮塞塞紧瓶口，并用凡士林封口。再通过导管分别向各瓶内深呼气十余次，使瓶内含有大量二氧化碳。

2.把甲瓶放到黑暗处，把乙、丙瓶放到阳光下。2h后，揭开瓶塞，分别向甲、乙、丙3只瓶内滴入等量的0.1%溴麝香草酚蓝溶液。仔细观察各瓶内的溴麝香草酚蓝溶液颜色有什么变化。

提示：溴麝香草酚蓝简称BTB，是一种酸碱指示剂，在碱性溶液中呈蓝色，在酸性溶液中呈黄色。水呈中性，BTB滴入基本还是呈淡蓝色。当水中溶有二氧化碳后，会形成碳酸，而碳酸是弱酸，会使BTB溶液由淡蓝变绿再变成黄色。

教师组织学生小组讨论发现，将原来的验证性实验“升格”为探究性实验，可以从原来实验的几个弊端入手：

（1）适宜放置盆栽植物的广口瓶要求体积大、带软木塞、能插入玻璃导管、气密性好，不太容易找到;若选用较大无色透明塑料袋，滴加BTB溶液操作不便、耗时长、空间大小不易控制。

（2）在未明确植株类型的情况下，不同植物的光合作用速率不同。

（3）实验时间不可控，现象不明显，实验结果只能呈现最终时刻二氧化碳的有无，无法实时监测。

教师指导学生小组进一步讨论，最终形成相应的探究方案。针对第（1）点，选用透明矿泉水瓶，优点在于材料易得，体积小，所需植物植株少，易搬运，使用便捷。针对第（2）点，选用金鱼藻、铜钱草、黑藻、绿金钱对叶等小型水生植物，不仅与液体环境相适应，而且可方便地置于器皿中，操作简单;若植物叶片较大，可借鉴“叶圆片上浮法”，用塑料吸管或笔帽截取叶圆片，并且叶圆片面积越小，实验出现明显现象所用的时间也就越短，适用范围较广;清水能维持水生植物的正常生长，加入BTB溶液后颜色变化明显。针对第（3）点，考虑先滴加BTB溶液，可动态观察颜色变化，时间可控，现象明显。

经过七年级的学习，学生已具备一定的生物学知识，如植物的光合作用、氧气和二氧化碳的鉴定方法等。另外，初中生具有较强的好奇心、初步的科学探究技能。这是将验证性实验改为探究性实验的学情基础。通过小组合作，学生选择了简单方便的实验材料，降低了实验成本。改进之后的实验装置简单，气密性好，组装简洁，易操作，可以反复使用，实验效果显著。这有利于激发学生的探究热情，促使其更积极地开展科学探究。

二、探究绿色植物在光下是否吸收二氧化碳

教师演示实验（也可提前录制视频）：在透明矿泉水瓶中加入适量滴有BTB溶液的雪碧，放入铜钱草，密封，置于光下（实验室内使用400W灯泡），溶液变成淡蓝色。

学生观察现象，提出假设：二氧化碳被绿色植物吸收或“蒸发”了。

教师指导学生设计实验方案，预测结果：设置对照组2号，不放铜钱草，其他条件相同且适宜，如果1号变成蓝色、2号不变，则二氧化碳被绿色植物吸收了;如果1号、2号都变为蓝色，则二氧化碳“蒸发”了。

学生交流讨论：绿色植物吸收二氧化碳一定需要光照吗？要控制变量有光和无光，可设置对照组3号。哪种因素可能会对BTB溶液颜色的变化产生干扰？要排除光对BTB溶液的影响，可设置对照组4号。

根据讨论得到的实验方案，学生开展探究实验，分析结果，得出结论（见表1）。

另外，教师可提出问题：为什么使用叶圆片做实验，最后BTB溶液颜色呈绿色？引导学生继续从叶片的数量、植物的种类、光照强度等方面考虑实验方案的优化。

通过优化实验方案，加入BTB溶液动态观察颜色变化，时间具有可控性且实验现象明显。学生在分析问题、解决问题的过程中有效提升了科学探究能力。

三、探究不同浓度二氧化碳对植物光合作用的影响

教师提出问题：如果要研究二氧化碳对光合作用的影响，应该如何控制变量？ 测定光合作用强度的指标是什么？

学生讨论后形成思路：可通过不同比例的雪碧稀释液来控制二氧化碳的量，可以用氧气产生速率测定光合作用强度。就检测氧气释放速率而言，主要有直接检测和间接检测两种方法。直接检测法是使用气体检测仪或传感器显示氧气浓度变化;间接检测法是将氧气的释放量转化为其他便于直接观测的量，如叶圆片上浮法。

教师引导学生定性与定量结合，开展探究实验。实验假设是叶圆片经过一段时间的光合作用后产生的氧气，可附着在叶肉细胞的间隙或叶片的表面，使叶片的密度降低，进而上浮。通过观察同一时间内叶圆片浮起的数量，初步判斷光合作用的强度。

實验方案如下：

（1）用塑料吸管（或笔帽）制作叶圆片，放入盛有水的器皿中，同时注意遮光，以避免叶圆片因干枯萎蔫或提前进行光合作用而影响实验效果。

（2）将叶圆片置于注射器内，并用注射器吸入清水;待排出注射器内残留的空气后，用橡皮堵住注射器前端的小孔，并缓慢拉动活塞，使叶圆片内气体逸出，细胞间隙充满水而全部沉到水底。

（3）将雪碧与水以2∶8、4∶6、6∶4、8∶2的体积比配制成50 mL的混合溶液置于透明表1实验方案及结果记录

条件实验对照组1号2号3号4号BTB溶液/mL50505050加入二氧化碳呼气呼气呼气/BTB颜色黄色黄色黄色蓝色加入植物或叶圆片30片/30片/光照光照光照遮光光照BTB颜色蓝色或绿色黄色黄色蓝色结果分析二氧化碳被绿色植物吸收了无绿色植物，二氧化碳含量不变无光照，植物不吸收二氧化碳排除光对BTB溶液的影响实验结论绿色植物在光下吸收二氧化碳

矿泉水瓶中，另设置只有水的对照组。五个矿泉水瓶分别加入10片叶圆片，沿着实验台日光灯所在的直线并列放置，发现雪碧浓度较大的溶液中的叶圆片不下沉，猜测原因是叶圆片密度小于雪碧溶液或其中的二氧化碳对叶圆片的上浮起助力作用。

（4）经过预实验，重新设置梯度为清水（雪碧体积分数视为0%）、体积分数为10%的雪碧稀释液、体积分数为20%的雪碧稀释液。室温下观察并记录5、10、15、20 分钟后时叶圆片浮起的数量，每组实验重复测定3次，记录数据，取整数平均值。

（5）利用计算机软件快速处理数据，自动生成全班统计结果的数据曲线图（如图1）。

师生一起分析结果，得出结论：在一定范围内，光合作用随二氧化碳浓度的增加而增强。教师引导学生联系七年级上册“植物的光合作用”相关知识建构思维导图（如图2），梳理科学探究的一般步骤，总结实验设计的原则，即单一变量原则、对照原则、平行重复原则及“叶圆片上浮法”等。

最后，教师提出话题，让学生利用本节课的实验装置和探究思路进行拓展实验：探究绿色植物在光下产生氧气;光的颜色对实验结果有影响吗？利用彩色玻璃纸探究不同光质对光合作用的影响;卧室放入较多的植物是否科学？探究植物呼吸作用过程中气体的变化;夏季教室开空调后长时间密闭是否科学？利用气体检测仪探究人的呼吸作用。

通过改进实验装置，借力信息技术准确读取氧气数值，培养学生的定量观。利用计算机软件快速生成曲线图，发展学生的数据分析能力及归纳概括、模型建构等科学思维。课上整合关联实验，课后进行拓展探究和实验设计，一器多用，迁移学习，提高学生的实验创新能力、系统整合能力。

生物学课程中的科学探究是学生领悟科学研究方法、积极主动获取生物学知识而进行的各种活动。教师引领学生化验证性实验为探究性实验，并不断优化实验方案，经历进阶式探究过程，可提高实验教学的有效性，培养学生的科学探究能力。