基于核心素养的生物学实验创新设计——以“绿色植物与生物圈中的碳-氧平衡”教学为例.pdf

2023 年第9期实验教学研究基于核心素养的生物学实验创新设计以“绿色植物与生物圈中的碳-氧平衡”教学为例付东东（南通市竹行中学，江苏南通 226000）摘要：对“探究绿色植物在光下吸收二氧化碳、放出氧气”实验进行改进，通过创新实验材料、优化实验方案、改进实验装置、拓展实验设计和整合关联实验，使得实验装置便携、可操作性强、现象明显、效果直观，促进学生的深度学习，以达到培养科学探究能力和科学思维等核心素养的目的。关键词：核心素养；实验改进；创新设计；光合作用DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.09.007生物学实验作为一种重要的生物学教学活动，是学生学习生物学的重要途径，也是科学探究的基本方法。教师通过实验创新设计，为学生创造更多探究的机会，有利于激发学生的主观能动性和学习内驱力，也有利于以生物学实验为载体，开展有利于提升核心素养的深度教学。实验教学可引导学生在探究过程中理解运用生物学知识；实验方案的设计可以培养学生的合作交流能力；实验结果的分析可以发展学生数据分析能力及归纳概括、模型建构等科学思维；实验过程的反思改进可以提升学生的批判性思维、创新能力。因此，教师在日常教学中应借助生物学实验培养学生的学科核心素养。苏科版 生物学 教材八年级上册第 18 章第 2 节“绿色植物与生物圈中的碳-氧平衡”，安排了“探究绿色植物光合作用吸收二氧化碳、放出氧气”的实验，是对七年级光合作用全过程的补充和完善，使学生从理性上认识绿色植物如何维持生物圈中的碳-氧平衡。在实验实施过程中，遇到诸多问题，如材料不易寻找、时间不可控、现象不明显等。为提高学生的参与度、使实验有效开展，对实验材料、方案和装置做了创新设计，有效优化课堂教学，提升学生的核心素养。1创新实验设计1.1创新实验材料教材建议使用大广口瓶或无色透明塑料袋，但适宜放置盆栽植物的广口瓶要求体积大、气密性好，不易寻找；若选用较大无色透明塑料袋，滴入0.1%溴麝香草酚蓝溶液（简称BTB溶液）操作不便、耗时长。参考义务教育生物学课程标准1降低实验成本的建议，本实验选用透明矿泉水瓶，密封性好、材料易得、环保便携，符合本节“低碳生活”的理念。实验未明确绿色植株类型，结合身边常见绿植，本实验尝试了金鱼藻、铜钱草、青菜和绿萝等材料，光合作用强，实验效果较好。金鱼藻、铜钱草等小型水生植物，不仅可以与液体环境相适应而且方便置于透明水瓶中；若植物叶片较大如青菜，可借鉴高中生物学实验中的“叶圆片上浮法”，用塑料吸管制作叶圆片代替完整植株，简便易取，适用范围较广，并且材料用量少、差异小，能较好地控制无关变量。1.2优化实验方案教材提示分别向各瓶内深呼气十余次使瓶内含有大量二氧化碳，2 h后滴入BTB溶液，观察各瓶内溶液颜色的变化。该实验的原理是，BTB溶液作为一种酸碱指示剂，能够检测水中二氧化碳的浓度变化。瓶内溶液中通入二氧化碳变为酸性时，BTB颜色由蓝色变为绿色再变为黄色，除去二氧化碳后又变为蓝色，而且植物在含这种试剂的水溶液中可短暂正常生活。但实验时间不可控，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。19SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第9期实验教学研究本实验的创新设计是，首先向含蓝色BTB溶液的透明水瓶中吹气或加入碳酸饮料雪碧（增加二氧化碳浓度），溶液变黄，使每瓶溶液中的二氧化碳等量又充足。然后向透明水瓶中加入上述黄色溶液，放入铜钱草或叶圆片，拧紧瓶盖，再根据实验设计置于光下或黑暗处，另设置含蓝色BTB溶液的对照组以排除光照的影响，通过对比光照前后BTB溶液的颜色变化，可以判断二氧化碳的吸收情况（表1）。表1探究绿色植物在光下吸收二氧化碳实 验编号1234BTB 溶液/mL50505050加 入 二氧化碳有有有无加入铜钱草或叶圆片有无有无光照有有无有光照前溶液颜色黄色黄色黄色蓝色光照后溶液颜色蓝色黄色黄色蓝色实验结果显示，有植物组1号瓶溶液由黄色变为蓝色，原有的二氧化碳消失，而无植物组2号瓶溶液仍为黄色，证明植物吸收二氧化碳；遮光但有植物的3号瓶溶液颜色不变（仍为黄色），而给予光照的1号瓶溶液由黄色变为蓝色，说明植物必须在光下才能吸收二氧化碳；2、4号瓶经阳光照射后溶液颜色均无变化，可排除光照对BTB溶液的影响。综上可说明绿色植物在光下吸收二氧化碳2。改进后的方案可动态观察颜色变化，时间可控，现象明显。1.3改进实验装置“探究绿色植物在光下放出的气体”实验常用金鱼藻作为实验材料，利用氧气助燃的特性，通过观察卫生香复燃的方法进行检验。教材中传统的实验装置较复杂且只能定性观察实验现象，建议使用氧气传感器直接读取数值，定量检测氧气的产生：连接传感器，打开朗威DisLab 8.0软件进入实验平台，将传感器插入探究装置（铜钱草组）内采集数据，检测各瓶中的氧气浓度，1号瓶明显高于其他组，可得出绿色植物在光下放出氧气。数字传感器是一种新型数字化实验技术，能连续采集数据，并转化成曲线图或表格，便于存储传输和交流反馈。同时可多组实验测量对比，准确性高，帮助学生树立实证意识。本实验通过定量检测数据得出结论，操作更加简便，实验效果好。1.4拓展实验设计结合教材上的两个探究实验及学生实验过程中的生成性问题，增加拓展实验“二氧化碳浓度对植物光合作用的影响”，加深学生对光合作用的理解。取3份长势相同、数量一致的铜钱草，分别放入装有100 mL体积分数为10%、20%的雪碧稀释液及清水的3只玻璃瓶中，置于光下，用数字传感器监测各组氧气体积分数，每分钟采集一次数据，连续采集20 min，软件自动生成统计结果的数据曲线图（图1）。23222120190246810121416182022时间/min氧气体积分数/%20%雪碧10%雪碧水图1雪碧与水不同体积比下氧气体积分数的变化曲线曲线图显示，在一定范围内，随着二氧化碳浓度的增加，放出的氧气越多，说明植物光合作用越强。相较于单个数据，及时、动态的曲线图能更直观地反映客观规律，有助于培养学生的实证思维，并使其认识到建构数学模型可以预测不同浓度的二氧化碳对光合作用的影响，从而指导生产生活实践。2优化实验教学从实验的可操作性考虑，本节教学对教材活动稍作调整，将“绿色植物在光下吸收二氧化碳”实验作为探究活动，再借助氧气传感器定量检测绿色植物在光下放出气体，把释放氧气作为光合作用强度的观察指标之一，最后拓展探究“二氧化碳浓度对植物光合作用的影响”。在实际教学过程中，师生共同创新实验设计，教师提供资料和技术支持，鼓励学生交流合作尝试创新，选出最优方案并实施。在实验创新设计过程中，学生很难一步到位，在课堂上教师以问题串层层深入，引导学 202023 年第9期实验教学研究生自我评价、不断完善，步步递进，最终得出结论。最后，分析结果建构概念，学生通过观察实验现象、分析检测数据及曲线图建构概念和数学模型，发展科学思维。实验改进提高了实验效率，可引导学生进一步探究影响光合作用的因素。例如，叶圆片组1号瓶溶液由黄色变为绿色，与预测不一致，引导学生课后继续探究，从光照强度、叶圆片的数量和植物种类等方面改进实验；针对学生提出的“使用其他颜色的塑料瓶做实验是否可行？”可指导学生利用不同颜色的LED灯研究光质对光合作用的影响3。除此之外，还可定性和定量探究植物的呼吸作用及二氧化碳是光合作用原料等。学生课余时间完成后，在课上展示成果，能够充分激发兴趣和好奇心，锻炼科学思维，为进一步学习高中光合作用知识打下基础，使探究从课内走向课外，由初中衔接高中，促进学生的深度学习。3结语本节教学以教材实验为基础进行改进拓展，借助数字传感器定量测定实验数据，并用图、表形式表述实验结果，有助于培养学生的数据分析能力及归纳概括、模型建构等科学思维。课堂上经历完整的科学探究过程，对实验中出现的异常问题，引导学生查阅文献资料并讨论，课后进行拓展探究和实验设计，迁移学习，切实提高学生的科学探究能力和创新能力，在实验教学中落实学科核心素养的培养。参考文献1 中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2022年版）S.北京：北京师范大学出版社，2022.2 庄旭芬.“植物光合作用吸收二氧化碳”的实验教学设计 J.生物学教学，2018，43（4）：56-573 范斌.创新实验设计优化实验教学：以“探究二氧化碳是光合作用必需的原料”为例 J.中学生物教学，2020（18）：43-45（上接第4页）容要突出物理与生活、生产的联系，突出应用，突出实际，突出有用，全面促进学生深度学习。回归现实，是学生将所学专业知识最终用来处理现实问题，而不仅仅是为了应试。充分体现“从日常生活走出物理学，从物理学走出社会生活”的教育理念，提倡学习方式多样化3。5学生实践作业的评价方式在完成实践作业的过程中，学生更深入地认识物理的实质，并解决过程中遇到的各种问题，进而提高解决问题的能力，训练创新能力。当学生进行实践作业时，需要激励与指导价值的评估，对物理实践作业的评估主要采取下列三种方法。（1）教师评价，课堂教学表现综合评价，鼓励学生更乐于进行并顺利完成实践作业。教师在布置实际作业时，选取经典的、具有代表性的实验作品，作为课堂内容在引入时或某环节中使用，通过录像播放或让学生上台进行展示分享，以引起其他学生的兴趣，并对学生的实验成果加以深入分析，从而有助于学生深刻理解知识点。分享亦是训练学生表达能力的最好方式，对分享者的赞赏与肯定，会使学生建立自信心。（2）学生互评，通过组内沟通、评比与修改，将学生提交的作品列入期末总评。学生先将实验视频和制作的作品，在组里交流评价，进而提出完善意见并进行优化，之后再提供给教师进行过程性的教学评价，教师再进行期末总评价，同时相应给予获奖并打分，将优秀作品分享到家长群，部分则留在实验室以及教学组橱窗中展示。（3）成果展评，通过科艺节展览和科技竞赛，提高物理核心素养。学校科艺节是展现学生才能与水平的平台。将实践作业在科艺节活动中进行交流展示，选取优秀作品参与各级科技大赛。参考文献1 王小英，刘思源.幼儿深度学习的基本特质与逻辑架构 J.学前教育研究，2020（1）：3-10.2 俞全.高中数学新课知识导入的实践与研究 D.芜湖：安徽师范大学，2011.3 程方平.多元智能与基础教育课程改革：文化 课程 多元课程设计 M.北京：学苑音像出版社，2004.21