胡有紅

摘要 以“傳感器探究光合作用過(guò)程和影響因素”一節(jié)為例，通過(guò)整合和重構(gòu)教材內(nèi)容，將光合作用過(guò)程由教師直接講授轉(zhuǎn)變?yōu)槎刻骄?，本?jié)課使用傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量O₂或CO₂的變化來(lái)反應(yīng)光合作用的實(shí)質(zhì)，探究影響光合作用的環(huán)境因素，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 傳感器 實(shí)時(shí)測(cè)量 教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄等要求。筆者以“探究光合作用過(guò)程及影響因素”一節(jié)為例，利用二氧化碳傳感器和溶解氧傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量二氧化碳或溶解氧的變化，來(lái)研究光合作用過(guò)程和影響因素。

1教學(xué)背景分析

1.1教材分析

光合作用過(guò)程是人教版《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第四節(jié)“能量之源——光和光合作用”第二課時(shí)的內(nèi)容，包括光合作用的發(fā)現(xiàn)歷程、光合作用過(guò)程、光合作用原理的應(yīng)用，而光合作用的過(guò)程和原理的應(yīng)用是本節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。筆者嘗試統(tǒng)整教材內(nèi)容，提供科學(xué)史素材，采用探究式教學(xué)模式，讓學(xué)生自主、合作構(gòu)建光合作用過(guò)程。本節(jié)課采用傳感器定量測(cè)量溶解氧或氣液相密封實(shí)驗(yàn)器內(nèi)CO₂的量，探究影響光合作用的環(huán)境因素。

1.2學(xué)情分析及課前實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1學(xué)情分析

在介紹光合作用過(guò)程之前，學(xué)生已經(jīng)就課本中光合作用研究的科學(xué)史為線索，遵循科學(xué)家的探索思路，總結(jié)出光合作用的探究歷程。因?yàn)榻滩闹薪榻B的科學(xué)史非常經(jīng)典，學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)其探索過(guò)程，等于沿著科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)思路作了一次思維的探究，這對(duì)于本節(jié)課的學(xué)習(xí)是必要的。

1.2.2課前實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展教學(xué)，配備14臺(tái)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，學(xué)生三人一機(jī)為一組，共14組。實(shí)驗(yàn)器材：溶解氧傳感器、二氧化碳傳感器、數(shù)據(jù)采集器、磁力攪拌器、氣液相密封實(shí)驗(yàn)器、500mL錐形瓶、臺(tái)燈、凡士林、水生植物（碗蓮）、陸生植物（綠蘿）等。

2教學(xué)目標(biāo)

（1）說(shuō)明光合作用過(guò)程，研究影響光合作用強(qiáng)度的因素。

（2）嘗試重構(gòu)和統(tǒng)整課本內(nèi)容，探究光合作用的建構(gòu)過(guò)程，在理解生物學(xué)概念性知識(shí)的基礎(chǔ)上形成生命觀念；嘗試用傳感器進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)和探究，培養(yǎng)理性思維、科學(xué)探究能力。

（3）通過(guò)對(duì)光合作用過(guò)程和影響因素的探究，認(rèn)同科學(xué)是在不斷的實(shí)驗(yàn)、探索和爭(zhēng)論中前進(jìn)的；認(rèn)同科學(xué)研究需要具有質(zhì)疑、創(chuàng)新和勇于實(shí)踐的科學(xué)精神和態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任。

3課例分析

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)主要包括以下基本程序。

第一階段：情境導(dǎo)入→演示實(shí)驗(yàn)→明確目標(biāo)。

教師展示校園美景的圖片，導(dǎo)入情境：四時(shí)之景，各有不同，唯有秋日，橙黃橘綠，最是好看。

教師設(shè)問(wèn)：當(dāng)同學(xué)們漫步在校園中，有沒(méi)有意識(shí)到，身邊的植物就是一個(gè)個(gè)能量轉(zhuǎn)換器？教師引導(dǎo)學(xué)生明確能量轉(zhuǎn)換器的核心是葉綠體，光合作用實(shí)質(zhì)是利用光能把H₂O和CO₂合成糖類(lèi)，釋放O₂。

教師演示實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

①用溶解氧傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量水中O₂的濃度來(lái)反映水生植物的光合作用。

②用CO₂傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量容器中CO₂的濃度來(lái)反映陸生植物的光合作用

實(shí)驗(yàn)裝置：見(jiàn)圖1和圖2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

①4s內(nèi)，溶解氧含量由0上升至2.32mg/L；

②420s內(nèi)，氣液相密封實(shí)驗(yàn)器內(nèi)CO₂含量下降104ppm。

分析結(jié)果：直觀展示了植物的光合作用需要消耗CO₂，并釋放出O₂

設(shè)計(jì)意圖：利用校園中學(xué)生熟悉的美景導(dǎo)入本節(jié)課，培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)學(xué)校、善于用生命觀念認(rèn)識(shí)生命世界、解釋生命現(xiàn)象，由此開(kāi)展本節(jié)教學(xué)內(nèi)容一光合作用。利用傳感器演示實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化，直觀顯示植物光合作用消耗CO₂，釋放O₂，開(kāi)拓學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)科的興趣。通過(guò)情景導(dǎo)入，演示實(shí)驗(yàn)，明確本節(jié)課的教學(xué)任務(wù)，探究光合作用過(guò)程和影響光合作用強(qiáng)度的環(huán)境因素。

第二階段：研讀學(xué)材→引導(dǎo)探究→對(duì)話共構(gòu)。

研讀學(xué)材：教師提供學(xué)習(xí)材料，學(xué)生自主學(xué)習(xí)研讀。學(xué)生觀察圖3，思考下列問(wèn)題：①類(lèi)囊體薄膜上的葉綠素吸收光能會(huì)丟失電子，可以從哪種物質(zhì)中奪得電子？該物質(zhì)失去電子后產(chǎn)物是什么？

②光解作用產(chǎn)生的H⁺被泵入類(lèi)囊體腔內(nèi)，在類(lèi)囊體膜兩側(cè)形成跨膜濃度梯度，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)什么物質(zhì)合成？

③沿著電子載體傳遞的電子最終傳遞給“誰(shuí)”？該物質(zhì)得到電子后轉(zhuǎn)變?yōu)槟姆N物質(zhì)？

教師提供材料：卡爾文與其同事利用在伯克利剛發(fā)現(xiàn)的¹⁴C首次探明光合作用中的碳固定途徑，并于1961年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)材料為小球藻。實(shí)驗(yàn)方法是同位素標(biāo)記法。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：用¹⁴C標(biāo)記的¹⁴CO₂，供小球藻進(jìn)行光合作用，每隔一段時(shí)間取樣，并立即殺死，然后將光合產(chǎn)物分開(kāi)，鑒定被14C0s標(biāo)記的產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：0.5s后收集小球藻，分離鑒定出¹⁴C標(biāo)記物為一種三碳化合物，用C₃表示；5s后收集小球藻，分離鑒定出¹⁴C標(biāo)記物，除上述C₃外，還有一種六碳糖，用（CH₂O）表示。

教師提出問(wèn)題：為什么每次取樣后要立即殺死小球藻？在暗反應(yīng)中CO₂經(jīng)歷怎樣的反應(yīng)歷程呢？

引導(dǎo)探究：在學(xué)生觀察圖形的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生探究光反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)變化和能量變化。學(xué)生閱讀材料，明確“C在葉綠體基質(zhì)中轉(zhuǎn)移路徑是“¹⁴CO₂-¹⁴C₃-（¹⁴CH₂O）”。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生：產(chǎn)生14C3的時(shí)候必然有一個(gè)¹⁴CO₂受體存在?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)C₂和C₅都有可能是¹⁴CO₂受體。各學(xué)習(xí)小組思考、討論。學(xué)生通過(guò)交流討論，最終達(dá)成共識(shí)：在COs濃度快速上升的一瞬間，分別檢測(cè)C₂和C₅含量的變化，含量降低的是受體。教師明確CO₂固定的受體是C₅。然后，教師繼續(xù)追問(wèn)：消耗的受體是如何生成的？從而引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)出C₃被還原為有機(jī)物的同時(shí)生成C₅。

對(duì)話共構(gòu)：教師要求每個(gè)小組的學(xué)生相互交流合作，在白板上畫(huà)出光合作用場(chǎng)所、條件、具體過(guò)程。各學(xué)習(xí)小組分組展示成果，教師給予點(diǎn)評(píng)，引導(dǎo)學(xué)生完善光合作用的過(guò)程圖，并總結(jié)光反應(yīng)和暗反應(yīng)之間的聯(lián)系。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)統(tǒng)整和重構(gòu)教材中的內(nèi)容，變知識(shí)的直接呈現(xiàn)為合作探究，引導(dǎo)學(xué)生在合作探究的學(xué)習(xí)方式中不斷地還原科學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，從而提高學(xué)生的邏輯思維能力和發(fā)散性思維能力，使學(xué)生的探究意識(shí)、理性思維得到充分發(fā)展。

第三階段：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)探究一展示交流。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：在第一階段教師演示實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究光照強(qiáng)度、光質(zhì)對(duì)光合作用的影響。學(xué)習(xí)小組交流討論，形成初步方案，教師協(xié)調(diào)引導(dǎo)，各組確定具體方案并實(shí)施。

實(shí)驗(yàn)探究：本階段，各小組用CO₂傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量氣液相密封實(shí)驗(yàn)器中CO₂的濃度來(lái)反映陸生植物的光合作用強(qiáng)度。1～6組探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響（通過(guò)改變氣液相密封實(shí)驗(yàn)器與臺(tái)燈之間距離）；5～14組探究光質(zhì)對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響（在氣液相密封實(shí)驗(yàn)器表面蒙上無(wú)色透明、紅色透明、綠色透明、藍(lán)色透明、黃色透明玻璃紙）。

展示交流：光合作用時(shí)間420s后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1。

各個(gè)學(xué)習(xí)小組分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，隨著光照強(qiáng)度的增加，光合作用強(qiáng)度增加；白光光合作用效果好于藍(lán)光和紅光，其次是黃光，綠光效果最差。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，建議使用無(wú)色透明的塑料薄膜。教師要引導(dǎo)學(xué)生找出異常數(shù)據(jù)，分析原因。

設(shè)計(jì)意圖：將枯燥的教師講授知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)手實(shí)驗(yàn)探究未知，提高課堂學(xué)習(xí)的有效性和興趣性，在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。

第四階段：拓展思維→實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新→總結(jié)反芻。

拓展思維：教師提出問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)中為什么每個(gè)氣液相密封實(shí)驗(yàn)器中放置10片大小、形態(tài)、幼嫩程度相似的綠蘿葉片？如何使每個(gè)氣液相密封實(shí)驗(yàn)器中CO₂起始濃度相同？如何改變?cè)搶?shí)驗(yàn)裝置，來(lái)探究CO₂濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響？實(shí)驗(yàn)中對(duì)光照強(qiáng)度的控制可通過(guò)調(diào)節(jié)燈泡與氣液相密封實(shí)驗(yàn)器的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可通過(guò)調(diào)節(jié)什么來(lái)實(shí)現(xiàn)？如何消除溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響？

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新：可以在氣液相密封實(shí)驗(yàn)器中放入不同濃度的NaHCO₃溶液來(lái)探究CO₂濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響；對(duì)光照強(qiáng)度的控制可通過(guò)調(diào)節(jié)燈泡與氣液相密封實(shí)驗(yàn)器的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)調(diào)節(jié)燈泡的亮度來(lái)實(shí)現(xiàn)；為了消除溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，可以采用LED冷光源燈泡或者在臺(tái)燈與密封實(shí)驗(yàn)器之間加熱屏障或?qū)嶒?yàn)過(guò)程中將自來(lái)水以一定速度灌至透明水槽（圖4）。

總結(jié)反芻：進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)和探究，學(xué)生學(xué)會(huì)控制自變量，觀察和檢測(cè)因變量，以及設(shè)置對(duì)照組和重復(fù)實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)。教師要引導(dǎo)學(xué)生分析異常的原因，以便改善實(shí)驗(yàn)裝置。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)思維滲透于科學(xué)探究過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，在學(xué)生形成生命觀念、發(fā)展理性思維、進(jìn)行科學(xué)探究的過(guò)程中，培養(yǎng)其社會(huì)責(zé)任意識(shí)，達(dá)到學(xué)以致用。

4教學(xué)反思

教師通過(guò)統(tǒng)整教材內(nèi)容，提供科學(xué)史素材，讓學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建光合作用過(guò)程，提高了課堂教學(xué)的實(shí)效性；實(shí)驗(yàn)中使用傳感器，可以直接在計(jì)算機(jī)中獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)添加圖表或折線圖等分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論，十分直觀與簡(jiǎn)便，簡(jiǎn)化了以往課堂上繁瑣的講解、計(jì)算過(guò)程，既節(jié)約了時(shí)間又讓學(xué)生直觀易懂，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力、分析數(shù)據(jù)能力、小組合作交流能力等，將生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)真正踐行在課堂教學(xué)中。