探究·思辨·建模
——《初中生探究影响光合作用的因素》
一、课题生成
课程标准：“绿色植物能利用太阳能（光能），把二氧化碳和水合成贮存了能量的有机物，同时释放氧气”是2024版《生物学课程标准》要求学生建立的五十个重要概念之一。
教材分析：《叶的光合作用》是冀少版八年级上册第三单元第三章的内容，教材中介绍了光合作用的产物(淀粉、氧气）和原料（二氧化碳、水）。
学情分析：学生学习光合作用相关知识后，学会了检验淀粉的方法，对影响光合作用的光照、温度、二氧化碳浓度等因素产生了困惑和疑问，有一探究竟的强烈愿望， 因此进行了本课题的研究。
二、实验器材
辅助设备：氧气传感器，照度计，恒温宝。
图1 氧气传感器 图2 照度计 图3 恒温宝
通用器材：止水阀，带胶塞、弯管的锥形瓶，培养皿，镊子，碘液，胶头滴管，温度计，烧杯，集气瓶，三脚架，石棉网，酒精灯，装有LED光源的暗箱。
图4 止水阀 带胶塞、弯管的锥形瓶 图5 培养皿 镊子 碘液 胶头滴管 图6 温度计 烧杯 图7 集气瓶
图8 三脚架 石棉网 酒精灯 图9 内有LED光源的暗箱 三、实验创新
1.通过实验现象和数据的分析，引导学生主动建构模型
图10 实验现象 数据
2.辅助设备走进生物课堂，实现由定性实验向定量实验的延伸
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图11 辅助设备
3.与高中知识相联系，实现了初高中知识的衔接
图12 与高中知识衔接
4.选择石家庄市区常见植物作为实验材料，实现了对身边资源的利用
图13 实验材料
四、实验设计思路
在本节课的教学中，以培养学生的科学思维为主线，通过问题聚焦、探究实践、主动建模和思维拓展四个环节来达成。
五、实验教学目标
知识性目标：概述实验基本步骤；分析现象得出影响光合作用因素的重要概念。 技能性目标： 学会检验叶片中淀粉含量的实验方法； 学会使用氧气传感器检测氧含量。
情感性目标：通过氧气传感器的使用，认同技术对生物学研究的意义；养成严谨细致的科学态度。
六、实验教学内容
本实验利用石家庄市周边常见植物作为实验材料，探究了三种因素、四组不同条件下的光合作用。学生通过对不同条件下的实验现象、实验结果的分析，建构概念并形成生命观念。
七、实验教学过程 1.问题聚焦
学生聚焦了三个焦点问题。
问题一：如何控制影响光合作用的因素？ （光照强度、温度、二氧化碳浓度） 问题二：如何检测光合作用的强弱？ （淀粉、氧气）
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问题三：选择哪种植物作为光合作用的实验材料？ （石家庄市区常见植物） 经过讨论思辨，学生确定了如下方案。 （1）问题一：影响因素的控制。
“光照强度控制”可以在暗箱内设置不同亮度的光源。我们专门定制了木质暗箱，准备了不同亮度的LED光源，并用“照度计”测定了光照强度。
“温度控制”是同学们争议最大的，最终他们确定了水浴控温的方法，低温通过冰水控制，高温利用具有加热功能的“恒温宝”控制。
“二氧化碳浓度控制”，同学们想到了通入二氧化碳气体的方式。二氧化碳的化学制备方法初二学生尚未涉及，有同学提出碳酸饮料中溶有大量的二氧化碳气体，可以通过晃动的方式促进其排出，然后用针管进行收集。
（2）问题二：检测方法。
如何检测光合作用的强弱呢？学生根据已有知识想到了利用光合作用的两种产物进行检测。
第一种方法，检测单位时间内，叶片中产生淀粉的多少。将叶片脱色后滴加碘液，根据显示蓝色深浅确定光合作用强弱。
第二种方法，检测单位时间内，相同数量的叶片，产生氧气的多少。可用排水集气法收集氧气，根据排出水的多少确定光合作用强弱。但这种方法需要的叶片数量较多，对装置的气密性要求较高。
此时有学生提出，有更好的检测方法吗？借此机会，我向学生展示了氧气传感器，可定量测定一定空间内氧气浓度的变化，学生表现出了极大的兴趣，认为这种方法更准确，直观。
（3）问题三：植物的选择。
教材中以天竺葵作为实验材料，在我们周围天竺葵种植较少，我引导学生选取身边植物作为实验材料，他们决定选用常见的绿萝。
此时，有同学提出为了方便水浴控温，选择水生植物作为实验材料。他们从石家庄汊河
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水域和花卉市场找来了莫丝、水绵、青叶草三种水生植物进行预实验，发现莫丝脱色后滴加碘液无明显变蓝现象，水绵暗处理时间较长，而青叶草具备了易于脱色、显色明显的优点，因此决定利用青叶草作为实验材料。至此，同学们选择了青叶草和绿萝两种实验材料。
设计意图：学生以教材内容作为学习资源，提出质疑，进行论证，培养了科学思维的能力。
2.探究实践 （1）方案设计。
核心问题解决后，全班分为了青叶草组和绿萝组两个实验组。每一组分三个小组分别探究光照、温度和二氧化碳浓度对光合作用的影响。这是各组制定的实验方案。
实验方案汇总表
影响因素 光照强度（Lux） 温度（℃） 加入二氧化碳量（mL） 0 5 10 15 0 5 10 15 0 661 1930 3780 0 661 1930 3780 青叶草组实验条件 绿萝组实验条件 10 20 30 40 10 20 30 40 青叶草组：将青叶草暗处理15小时，每组控制条件3～4小时后脱色、滴加碘液，分辨蓝色深浅。
绿萝组：用氧气传感器定量检测氧气浓度。
在设计实验时，探究二氧化碳浓度影响的青叶草组同学考虑到光合作用过程中气体变化，设计了如下的实验装置。首先在锥形瓶中注满沸水，排出溶解气体，冷却后放入叶片，打开1号止水阀通入二氧化碳气体，之后关闭1号，打开2号止水阀，排出产生的氧气。
图14 青叶草组“探究二氧化碳浓度对光合作用影响”实验装置
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探究二氧化碳浓度影响的绿萝组同学，为配合氧气传感器的使用，选择500ml集气瓶作为实验装置。集气瓶内放入几片绿萝叶片合适呢？同学们进行预实验发现，只放入一片叶片数据变化缓慢，差值小，放入三片及以上叶片，互相遮挡，影响实验结果，因此选择放入两片叶片。
（2）科学实践。
方案确定好后，同学们开始了动手操作。 ①两个组同学在探究光照强度对光合作用的影响。
图15 “光照强度对光合作用影响”实验过程
①两个组同学在探究温度对光合作用的影响。
图16 “温度对光合作用影响” 实验过程
①两个组同学在探究二氧化碳浓度对光合作用的影响。
图17 “二氧化碳浓度对光合作用影响” 实验过程
设计意图：学生运用归纳与概括的方法进行方案制定、科学实践，培养了思维的严谨性。 3.主动建模
各组的实验现象如何呢？
（1）探究光照强度对光合作用的影响。
图18（左）是青叶草组探究光照强度对光合作用影响的实验结果，他们发现，随光照强度的增加，叶片蓝色加深，但最后两个叶片蓝色接近，这是什么原因呢？是因为光合作用增强积累的有机物都较多，不易区分，还是光照增加到一定程度后光合作用不再增强呢？带着这些疑问，同学们进行了反复实验和资料的查阅，得出了“在一定范围内，光合作用随光照强度增加而增强”的结论。
绿萝组分析氧气传感器收集的数据，绘制曲线图（图18右），得出了同样的结论。
图18 “光照强度对光合作用影响” 实验现象
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冀少版八年级上册第三单元第三章 初中生探究影响光合作用的因素
