在初中生物學(xué)教學(xué)中，探究植物蒸騰作用的本質(zhì)是一項(xiàng)重要內(nèi)容。盡管教師演示經(jīng)典實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生直觀觀察植物蒸騰作用的現(xiàn)象，但是對(duì)于蒸騰作用的具體發(fā)生場(chǎng)所及其影響因素的深入探究仍有不足。為彌補(bǔ)這一缺陷，筆者提出了一種結(jié)合宏觀現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)觀察的教學(xué)方法，即利用多功能數(shù)碼顯微鏡和傳感器，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于植物蒸騰作用的教學(xué)中。這種方法不僅能夠使學(xué)生更深入地理解蒸騰作用的本質(zhì)，而且有助于培養(yǎng)他們的探究實(shí)踐素養(yǎng)?！吨行W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本目錄（2023年版）》推薦的“植物的蒸騰失水”和“探究植物氣孔的數(shù)目和分布”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)蒸騰作用的主要場(chǎng)所和重要意義具有積極作用，但這些實(shí)驗(yàn)存在耗時(shí)長(zhǎng)、受環(huán)境影響大、過(guò)程不可視等問(wèn)題。筆者整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)順序，從宏觀到微觀、從定性到定量，幫助學(xué)生深入探究蒸騰作用背后的規(guī)律，提升他們的探究實(shí)踐素養(yǎng)，多視角全面理解綠色開(kāi)花植物的生活方式。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

精確的學(xué)情分析是實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。教師應(yīng)落實(shí)《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）提出的相關(guān)教學(xué)要求，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推國(guó)家課程高質(zhì)量實(shí)施。初中學(xué)生正處于將日常生活經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)規(guī)律轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，尚未學(xué)習(xí)物理和化學(xué)，“物質(zhì)和能量”的觀念對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)比較抽象，也容易混淆。多功能數(shù)碼實(shí)驗(yàn)室能滿足學(xué)生進(jìn)行梯度化實(shí)驗(yàn)探索、探究定量實(shí)驗(yàn)的需求。根據(jù)課標(biāo)要求，探究植物蒸騰作用的本質(zhì)是初中生物學(xué)課程“植物的生活”的重要內(nèi)容。課標(biāo)對(duì)其涉及的重要概念、具體內(nèi)容和實(shí)施建議都有明確闡述。課標(biāo)在實(shí)施建議中提到，在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)該重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。因?yàn)殚_(kāi)展定量實(shí)驗(yàn)可培育學(xué)生科學(xué)思維及探究實(shí)踐素養(yǎng)。

國(guó)家發(fā)布了一系列指導(dǎo)性文件，對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方向提出了要求。教育部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》明確要求完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式?！吨行W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本目錄（2023年版）》對(duì)于探究植物蒸騰作用的本質(zhì)這一實(shí)驗(yàn)也提出具體要求：教師應(yīng)演示“植物的蒸騰失水”實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生課外分組參與“探究植物氣孔的數(shù)目和分布”和“探究蒸騰作用強(qiáng)弱與葉片面積的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)。筆者基于學(xué)情，按照課標(biāo)與教材要求，設(shè)計(jì)了一組關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的探究實(shí)驗(yàn)，從定性驗(yàn)證現(xiàn)象轉(zhuǎn)化到定量探究本質(zhì)，這符合生物學(xué)的發(fā)展規(guī)律[1]。

在教學(xué)中，教師常采用演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證植物的蒸騰失水，提前做好實(shí)驗(yàn)裝置讓學(xué)生觀察植物的蒸騰現(xiàn)象，再分析對(duì)照實(shí)驗(yàn)的變量，從而得出結(jié)論。由于該實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，教師演示過(guò)程中注重對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析而忽視了實(shí)驗(yàn)過(guò)程[2]。要探究植物氣孔的數(shù)目和分布對(duì)蒸騰作用的影響，教材為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了思路。學(xué)生在閱讀教材時(shí)提出問(wèn)題——水是從哪兒來(lái)的呢？針對(duì)學(xué)生的質(zhì)疑，筆者以學(xué)定教，探究如何創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生能力形成的過(guò)程，做好過(guò)程性評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)思維和方法去分析與解決問(wèn)題的能力。為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，筆者針對(duì)學(xué)生的提問(wèn)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

改進(jìn)思路（如圖1）：①使用多功能顯微鏡，從宏觀現(xiàn)象觀察轉(zhuǎn)向微觀結(jié)構(gòu)探究，觀察蒸騰作用發(fā)生的場(chǎng)所；②使用傳感器，引導(dǎo)學(xué)生從定性分析轉(zhuǎn)向定量探究，分析影響蒸騰作用的因素。

（一）使用顯微鏡從宏觀轉(zhuǎn)向微觀，認(rèn)識(shí)蒸騰作用發(fā)生的結(jié)構(gòu)

基于以上改進(jìn)思路，筆者設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程：演示實(shí)驗(yàn)—全班探究—分組研討—分析總結(jié)。為了切實(shí)解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，筆者帶領(lǐng)生物學(xué)興趣小組參與了一系列探究活動(dòng)。在多功能數(shù)碼實(shí)驗(yàn)室，筆者讓學(xué)生使用高清雙目顯微鏡觀察綠蘿葉片氣孔，并且對(duì)葉片氣孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。學(xué)生觀察氣孔、認(rèn)識(shí)氣孔，觀察氣孔的微觀結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證蒸騰作用發(fā)生的場(chǎng)所。

完成基礎(chǔ)探究后，興趣小組的同學(xué)對(duì)植物在一天內(nèi)發(fā)生蒸騰作用的強(qiáng)度產(chǎn)生了好奇。于是，筆者帶領(lǐng)學(xué)生在一天內(nèi)，定時(shí)對(duì)綠蘿葉片的氣孔進(jìn)行觀察，并對(duì)氣孔的開(kāi)閉數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)表1），以此探明氣孔在不同時(shí)間段開(kāi)閉的變化情況。

學(xué)生借助軟件將實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可視化后，根據(jù)圖像結(jié)果分析可知從8時(shí)到20時(shí)，綠蘿葉片的氣孔的打開(kāi)率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)（如圖2）。學(xué)生結(jié)合實(shí)際情況，分析數(shù)據(jù)推斷得出結(jié)論：植物的蒸騰作用強(qiáng)度在一天中的不同時(shí)刻有所不同。他們進(jìn)一步分析環(huán)境中的非生物因素，并提出假說(shuō)：隨著時(shí)刻不同，植物的蒸騰作用強(qiáng)度與溫度、光照強(qiáng)度等非生物學(xué)因素有關(guān)。

（二）利用傳感器變定性實(shí)驗(yàn)為定量實(shí)驗(yàn)，理解蒸騰作用本質(zhì)

在定性感知外界環(huán)境（如溫度、照度等）對(duì)蒸騰作用的影響以后，學(xué)生開(kāi)始思考植物的自身是否存在影響蒸騰作用的因素。學(xué)生查閱資料后發(fā)現(xiàn)，在教材的思考與練習(xí)上有針對(duì)葉片氣孔數(shù)量對(duì)植物蒸騰作用強(qiáng)度影響的探究實(shí)驗(yàn)，于是首先對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并且為了更加準(zhǔn)確地得出剩余的水量，采用量筒測(cè)量，發(fā)現(xiàn)植物下表皮分布的氣孔多于上表皮。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)值得深入思考的問(wèn)題：①用于密封的植物油在量筒中有些許掛壁，可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾；②本實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)且易受環(huán)境影響。即使在天氣晴朗的夏季下午進(jìn)行4小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比仍然不明顯?？衫^續(xù)針對(duì)以上問(wèn)題改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

怎樣才能在短時(shí)間內(nèi)觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象且不受極端環(huán)境影響呢？應(yīng)用傳感器，問(wèn)題迎刃而解。傳感器是一種耗時(shí)短、可視化的精密測(cè)量?jī)x器。不同類型的傳感器可以測(cè)量不同的物理量，連接處理器和顯示屏以后可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化情況。由于傳感器可以連續(xù)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)間大幅縮短，受環(huán)境影響較小。本次實(shí)驗(yàn)中使用了光傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器。

師生使用濕度傳感器對(duì)教材經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。取同一植物的四根大小相同且葉片數(shù)相同的嫩枝，在有光照的正常條件下，完成如下操作：①A組葉片未做處理；②B組葉片上表皮涂凡士林；③C組葉片下表皮涂凡士林；④D組切去葉片并在切口處涂凡士林。向四個(gè)相同的錐形瓶中加入等量清水，將四組枝條分別插入四個(gè)錐形瓶中，在瓶?jī)?nèi)水面上再滴加少量的植物油，用透明塑料袋分別套在四組枝條上，扎緊塑料袋口，保證不漏氣。凡士林可用于防水，涂抹在葉片上能阻止水蒸氣從氣孔中散失。四組裝置間的變量是氣孔數(shù)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：A、B、C、D組的密封袋內(nèi)濕度分別為91.30%、88.66%、81.33%和60.81%。由袋內(nèi)濕度A組>D組可知，植物進(jìn)行蒸騰作用的主要器官是葉片。植物通過(guò)葉片散失水分，增加環(huán)境密封袋內(nèi)濕度。由A組＞B組>C組可分析，葉片氣孔的數(shù)量對(duì)蒸騰作用強(qiáng)度有影響，且葉片上表皮的氣孔數(shù)量小于葉片下表皮，這是影響植物蒸騰作用的內(nèi)因。

除了氣孔數(shù)量及分布外，環(huán)境條件（如照度）也會(huì)影響植物的蒸騰作用。興趣小組繼續(xù)利用壓力傳感器和照度傳感器進(jìn)行了定量探究。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)置了強(qiáng)光組和弱光組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，自變量為照度（可以實(shí)時(shí)反映在照度傳感器上）；因變量為蒸騰作用強(qiáng)度（反映在壓力傳感器上）。在利用傳感器測(cè)定光照強(qiáng)度對(duì)植物蒸騰作用的影響時(shí)，學(xué)生搭建了該實(shí)驗(yàn)裝置（如圖3）。當(dāng)植物發(fā)生蒸騰作用產(chǎn)生拉力，U形管內(nèi)的水會(huì)向左側(cè)移動(dòng)，此時(shí)密閉環(huán)境中U形管右側(cè)空間變大，壓強(qiáng)減小。壓強(qiáng)減小的趨勢(shì)越明顯，說(shuō)明此時(shí)蒸騰作用越強(qiáng)，由此可以判斷照度與蒸騰作用的關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生用傳感器不僅可測(cè)量精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，還可使用數(shù)據(jù)分析工具與顯示屏同步分析并呈現(xiàn)，這樣能夠更精確地反映數(shù)據(jù)變化情況，從而更準(zhǔn)確地分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。學(xué)生按照該改進(jìn)方案，實(shí)現(xiàn)了從定性實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象向定量實(shí)驗(yàn)探究本質(zhì)的轉(zhuǎn)化。學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，植物在強(qiáng)光和弱光下都發(fā)生蒸騰作用，但在強(qiáng)光下蒸騰作用強(qiáng)度更高。

三、實(shí)驗(yàn)亮點(diǎn)

生物學(xué)是一門(mén)基于實(shí)驗(yàn)探究的自然科學(xué)。為了在初中生物學(xué)教學(xué)階段滲透對(duì)生物學(xué)核心素養(yǎng)的培育，教師可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將宏觀實(shí)驗(yàn)與微觀實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)，將驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為探究實(shí)驗(yàn)，以此豐富和優(yōu)化探究實(shí)踐的方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，為延展科學(xué)探究視野提供方向和思路。

科學(xué)探究在生物學(xué)教學(xué)中是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，教師應(yīng)結(jié)合具體學(xué)情，勇于嘗試，尋找和挖掘更富有創(chuàng)設(shè)性并符合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，從而能更好地輔助教學(xué)，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（一）宏觀與微觀現(xiàn)象結(jié)合，助推學(xué)生深入理解

生物學(xué)中的生理現(xiàn)象是一種較為抽象的概述與表達(dá)，而生理功能的展現(xiàn)往往與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)相關(guān)。在探究蒸騰作用的實(shí)驗(yàn)中，葉片是發(fā)生蒸騰作用的主要器官。然而，生物體的結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，學(xué)生要想知其所以然，需要深入更為微觀的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)生利用顯微鏡等生物學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，可進(jìn)一步探索葉片的結(jié)構(gòu)，以及葉片中與蒸騰作用相關(guān)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（如氣孔），甚至觀察不同植物的“氣孔器”及不同時(shí)間氣孔開(kāi)閉的狀態(tài)。教師進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)的重新設(shè)計(jì)與組合，利用科學(xué)探究手段，化抽象為直觀，可以幫助學(xué)生深入理解蒸騰作用這一植物生理現(xiàn)象。

（二）實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果并重，強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐

植物完成相應(yīng)的生命活動(dòng)或展現(xiàn)出一定的生命現(xiàn)象往往耗時(shí)較長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)者借助傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)的變化。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)分析。這樣既有利于學(xué)生深度學(xué)習(xí)，又有利于自主動(dòng)手實(shí)踐探究，而非只觀察教師呈現(xiàn)的單一結(jié)果。微小影響因素如何動(dòng)態(tài)展示，教師利用傳感器短時(shí)間內(nèi)就可清晰地呈現(xiàn)。教師利用這一短時(shí)變化趨勢(shì)，可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的分析，得到與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。這樣就大幅縮短了實(shí)驗(yàn)耗時(shí)，提高實(shí)驗(yàn)效率，從而延展與擴(kuò)充課堂容量。

（三）定性與定量實(shí)驗(yàn)結(jié)合，提高學(xué)生分析能力

教師指導(dǎo)學(xué)生利用量筒對(duì)蒸騰作用散失水分進(jìn)行測(cè)量，對(duì)四組實(shí)驗(yàn)分析比較，進(jìn)一步說(shuō)明氣孔在葉片上下表皮的分布情況，將定量的實(shí)驗(yàn)概念結(jié)合到原本的定性實(shí)驗(yàn)中，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)探究寬度。此外，實(shí)驗(yàn)者將傳感器與計(jì)算機(jī)結(jié)合，還能將不可視的實(shí)驗(yàn)變化過(guò)程在顯示屏上轉(zhuǎn)化成可視dq+ab7CA7PkQX/l1m70sg4QQ2+O44Gvqf8eVsWtZjqQ=化的曲線。教師實(shí)時(shí)準(zhǔn)確呈現(xiàn)照度、壓力等因素的變化情況，給學(xué)生留下深刻的印象，也更能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的說(shuō)服力與可信度，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。發(fā)揮傳感器靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的微小變化量，有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的定量檢測(cè)與分析，從而提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)中，教師指導(dǎo)學(xué)生借助多功能數(shù)碼顯微鏡將教材宏觀實(shí)驗(yàn)與微觀觀察結(jié)合，對(duì)植物葉片在一天中不同時(shí)刻、不同位置的氣孔形態(tài)及數(shù)量進(jìn)行觀察和統(tǒng)計(jì)，并借助濕度、壓力、照度等數(shù)字化傳感器將定性實(shí)驗(yàn)與定量實(shí)驗(yàn)融合，從可視化角度理解蒸騰作用的過(guò)程。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新既能幫助學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的一般流程和方法，又能加深學(xué)生對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)原理和概念的理解，并助其深入挖掘科學(xué)現(xiàn)象背后的本質(zhì)，更有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，讓學(xué)生感受技術(shù)與科學(xué)融合的魅力。

筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)整合創(chuàng)新，教學(xué)效果明顯提升：學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到蒸騰作用強(qiáng)度的變化，并觀察到使其發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)，理解了復(fù)雜的植物生物作用的實(shí)質(zhì)。數(shù)字技術(shù)的合理創(chuàng)新應(yīng)用，有利于學(xué)生構(gòu)建生物學(xué)概念建構(gòu)，讓學(xué)生借助科學(xué)事實(shí)對(duì)抽象的原理有更深刻的認(rèn)識(shí)。在不斷嘗試中，教師還需要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)邏輯并拓展深度，幫助學(xué)生更有效地理解概念本質(zhì)、促進(jìn)探究實(shí)踐、建立科學(xué)思維。

參考文獻(xiàn)

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（作者系四川省成都市七中育才學(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志