探究影响光合作用的因素（实验方案设计）

探究影响光合作用的因素（第一课时）
上海市延安中学 王石
一、设计思路：
本节课教学内容为上海市二期课改教材《生命科学》（上海科学技术出版社，高中第一册）学生实验“4.4探究影响光合作用的因素”的第一课时——实验方案设计。按上海课标的“知识与技能”分类标准，实验4.4的教学内容属“实验C级”，是高中生命科学教材中唯一的先由学生进行实验设计后再进行实施实验的教学内容。通过本节课的学习，应该让学生初步掌握实验设计的基本原则并能遵照这些原则设计一份较科学的实验方案，为下一课时——实施实验奠定基础。此前学生参与了“探究酶的催化特性”的实验过程并了解了光合作用研究史上科学家们的研究思路，对如何进行实验设计已有初步认识，所以在课前让每位同学先凭自己的理解设计一份实验方案。在收到学生设计的方案后进行粗略的批改，挑选出方案中的典型问题，再根据所选择的探究因素类型，将学生分为若干小组。第1课时（即本课时）以学生设计的实验方案为素材，根据教学需要，从不同的案例选取有代表性的某一板块进行分析，归纳出实验设计的基本思路和应该遵循的基本原则，课后让同学对自己的方案进行修改。在PPT上显示出的案例，如是作为优秀方案显示的，在该案例后附上设计者姓名，如是作为具有典型缺陷的方案显示的，显示时略去姓名，上课时注意通过观察该同学反应，借以判断这部分教学是否取得了较好的效果。第2课时按小组实施实验。由于能满足同学们研究的是自己感兴趣的影响因素并能按学生自己设计的方案进行实验，所以激发学生的探究热情。
本部分教学内容是对学生进行探究能力培养的良好素材，但由于教材并未系统地介绍实验设计中应该遵循的一些原则。教学过程必须以学生“原生态”的设计方案为案例，以学生在课堂上进行具体的案例分析过程中产生的问题为教学素材。在学生对实验设计仅停留在感性认识的层面时，如何充分利用教学过程中派生出的教学资源（问题）是本节面对的最大挑战，对那些典型案例也很难在本教学设计文字稿中加以体现。
本节课以学生设计的实验为案例，按照“明确实验目的→确定实验思路→设计实验方法（步骤）→设计结果记录、处理方式”的顺序依次进行分析和探讨，将确定实验思路的过程围绕下图（PPT，按讲解过程由变量类型、处理思路、方法或原则逐级展示）所示的内容及相互关系进行展开。学生在这条粗线条的引导下，通过听老师讲解和参与解决课堂中衍生出的问题，发现自己设计的方案中的缺陷，并逐步找到解决这些问题的思路。
二、教学目标：
1．知识与技能：能设计探究影响光合作用因素的实验方案，理解并应用实验设计的基本原则和对实验变量进行控制的方法，学会设计记录实验数据的表格。
2．过程与方法：经历探究影响光合作用的因素的实验设计过程及小组内对实验设计方案的研讨过程，学习实验设计的原则和方法。
3．情感态度与价值观：参与探究影响光合作用的因素的实验方案的设计与讨论，形成严谨的科学研究态度。
三、重点和难点：
重点：实验设计的原则及对实验变量的控制。
难点：对实验中各种变量的分析及对不同变量的处理方法。
四、教学过程：
教学内容 教师行为 学生行为 教学说明
课前准备 布置学生设计实验方案。收集学生实验设计方案中出现的典型问题作为课堂案例分析的材料。根据所选择的探究因素类型，将学生分为若干小组，每组5～7人。 每位学生通过借鉴课本中的学生实验和科学家的探究方法或查阅资料，独立完成实验方案的撰写。 期望能从学生凭对实验设计的初浅理解而自行设计的方案中获得第一手教学素材，使教学更具有针对性。
引入 以往我们基本都是按教材设定的实验方法和步骤来完成实验的，较少能体现大家的探究能力。我们即将做的下一个实验的实验方案将由大家自己做主。由自己做主并不是说可以随心所欲，实验方案一定要科学、严密，否则将难以实现研究的目标实验也就失去它的意义。大家撰写的实验方案包括了哪几部分内容呢？ 看自己的方案，回答问题。通过相互补充，最后答出实验题目、目的和原理、假设、材料选择、仪器与试剂、实验方法等内容。 激发学生的探究热情。根据对设计方案批改所掌握的情况对不同班级作不同处理：比较好的班级采取集体回答的方式，对本部分问题较多（漏掉某些必要内容）的班级指定有典型问题的同学回答。
制定实验方案的流程 明确实验目的 在进行此次实验设计时你们最先考虑的是什么？[强调明确实验目的重要性]如果在进行实验设计前未能明确实验要研究什么、要解决什么问题，整个实验方案就没有了立足之地。引导学生从光合作用反应式来分析可以研究哪些影响因素。 [回答]实验要研究什么，哪些因素可能会影响光合作用，这些因素变化时将引起光合作用如何变化？（即实验目的）看PPT展示的光合作用反应式，根据教师的引导，将反应式中显示的信息分为反应物、产物、光照条件和反应场所（叶绿体）等方面，确定可从哪些方面开展探究。 如有同学实验方案有偏离实验目的的情况，则结合该设计，由同学们一起分析如何使实验目的表述更清晰。
确定实验思路 我们的实验目的是探究光照强度（CO2浓度、温度）等因素对光合作用强度的影响。光合作用强度可通过哪些指标反映出来？ （如学生回答不出，则引导学生将光合作用粗略地当作一个化学反应来看，让学生回答“化学反应的快慢可以通过哪些指标反映出来”）你们是如何测定这些指标的变化的呢？找一位不是采用教材提供的参考方案进行测定的同学，请他将自己方案中的检测手段标出并作讲解（通过实物投影展示）你是怎样想到用这种方法来检测的呢？ [讲述]测定指标：反应物的消耗速度或产物的产生速度。测定方法：直接或间接测定，尽可能量化。有的指标变化生物体可以通过性状的改变直接表现出来，此时可通过肉眼直接观察其差异。对于不能直接用肉眼观察到的（如本实验中的淀粉、CO2含量的改变），要通过生物学的原理使这些指标的变化外显，要方便观察或测量）探究光照强度因素对光合作用强度的影响时，你是如何施加影响因素的呢？（如同学回答用不同功率的灯泡时，继续问）如实验室只有相同功率的灯泡，你如何使植物接受不同强度的光照呢？ [讲述]可以看出我们对实验对象施加某种影响（改变控制的因素或条件）后可能引起实验对象的某些现象或结果改变。这实际上就是两类变量之间的关系，我们学过的函数也是反映变量间的关系的。[提问]函数是反映的哪2类变量的关系？如果将实验中由“操作者所施加的因素或条件”和实验过程中“因有意识的操作而引起的变化或结果”都当成变量，那么它们分别对应函数中的什么变量？[讲述]在实验设计中的自变量称实验变量，如光照强度的变化；因变量称反应变量，如淀粉的生成量。实验变量与反应变量间具有因果关系。实验目的在于获得和解释这种前因后果。你们能在自己的方案中找到这两种方案吗？如能找到，请标注出来，如找不到，要看看缺少了哪个变量？（PPT显示案例，对该方案中的实验变量和反应变量进行标注）在你设计的实验方案中是否只有你施加的实验变量会影响光合作用强度呢？还有其他的影响因素吗？（这个任务有难度，可留给学生多点时间。提示学生找到全部变量，然后去除实验变量和反应变量）[讲述]生物的生命活动往往是错综复杂的，影响某一个生命活动的产生和变化的因素常常也很多。对实验结果产生影响的因素除了我们有意施加的实验变量外还存在能影响实验现象或结果的其他因素和条件，这些因素与我们的实验目的无关，称无关变量。[提问]在你的实验方案中考虑到了无关变量的存在吗？你是如何消除它对实验结果的影响的？（以某一同学的设计为案例，让该同学谈谈自己的处理办法及理由，实物投影显示）大家认为该同学在消除无关变量对实验结果的影响时，哪些方面做得比较好？还有他控制得不够好的或者还没考虑到的无关因素吗？为消除无关变量对实验结果的干扰，在设计实验时我们应该遵循哪些原则呢？[讲述]控制变量原则：在实验时，只改变某一影响因素(即实验变量)，控制其他因素（即无关变量）不变，来观察实验变量对实验结果的影响。这样能够排除其他影响实验结果的因素的干扰，清楚地显示实验变量对实验结果的影响。在控制变量时，一般采用对照的手段。通过设置实验对照对比，既可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。你们设计的方案中采用了对照手段吗？（这个问题主要是想引起学生对“对照”的关注，不许学生作答）一般有哪些设置对照的方式呢？（考虑到这个问题难度较大，可预先设置一道连线题，左侧为三种常见的对照类型，右侧为做过的实验中的一些具体对照形式，供当学生回答有困难时使用）我们做过的实验中有哪些类型的对照呢 ？再看看你们采用了哪些对照方式？ 根据光合作用反应式显示的信息回答：光合作用过程中 CO2 、H2O的消耗速度或O2 、淀粉的产生速度。学生回答自己在实验中所采取的检测方法。（较多同学会选择教材中提供参考的方案——测定O2产量可用真空渗水法、溶解氧传感器测定法等方法。）该同学介绍自己的检测措施（极可能实验2.1“食物中主要营养成分的鉴定”和实验4.1“探究酶的催化特性”等实验中采用碘液检测淀粉和用线香亮度检测氧气的方法）学生回答：前面学过（或查阅资料得知）认真听教师归纳[回答]相同光源不同距离或相同距离不同光源 [回答]自变量、因变量学生根据自变量和因变量的关系，体会即将讲到的“实验变量”和“反应变量”之间的关系，并找到它们和自变量、因变量的对应关系。回答出：实验中由操作者所施加的因素或条件是自变量。实验过程中由于实验变量而引起的变化或结果是因变量。从自己设计的方案中寻找这两类变量，并对这两类变量进行标注。从自己设计的方案中寻找除了实验变量和反应变量外的其他变量。认真听教师讲解该同学在自己方案中标出有哪些无关变量，并向大家介绍自己的处理办法及理由。同学们一起对该同学的设计方案进行分析，并找出自己处理办法的可取之处和欠缺之处。认真听教师讲解学生回顾已经做过的6个实验，找出与这些对照类型相对应的对照设置方式。（1）空白对照（“探究酶的催化特性”中加其他物质的试管与加入蒸馏水的试管间的对照）（2）自身对照（质壁分离中洋葱细胞形态的前后对照）（3）相互对照（“探究酶的催化特性”中加Fecl3和加入新鲜猪肝匀浆的两支试管间的对照）看自己的方案，加深对设置“对照”的理解。 以学生设计方案中的测定指标和方法为例，从实验材料、方法的可行性、简便性、科学性等方面分析和评价，在学生设计的方案中找些典型问题加以解决。有意识地让用到已学过的实验方法的同学介绍，引导学生应用已有知识解决问题。如有更新颖的方法，也要给这些同学展示的机会（测定干重增加的半叶法等）选以“光照强度”为影响因素的同学回答。也可根据学生设计的方案的实际情况设置相应问题，找研究其他因素的同学问答。引导学生将数学中函数的相关知识迁移到对实验中相关变量的理解过程中，除了能让学生进行有意义的建构外，还能让他们意识到实验设计过程实际上包含严谨的思维过程。先由学生对各自设计的方案进行“变量分析”，然后教师再通过PPT对典型的案例进行分析，引导学生对实验设计的理解从感性层面逐渐向理性层面转化。如果学生不能主动回答，则根据事先批阅实验设计方案时掌握的情况，分别找对实验变量处理不够严密的同学回答，在同学回答时及时进行纠正。最后让处理得比较好的同学回答，让该同学学生体会到成功的喜悦。学生往往会笼统地讲到将消除不掉的无关因素都控制得相同，例如以光照强度为研究对象的同学会注意到“温度应相同”，但不考虑具体控制到多少度，这个温度是否适合）加深对课本中已做过的验证性实验的设计思路的理解，减少学生对“空白对照”等术语的陌生感。如不将这些术语与学生已有知识进行有机的联系，会增加学生理解的难度。
设计实验方法（步骤） [讲述]整个实验步骤的设计应围绕如何施加实验变量、控制无关变量和获取反应变量而展开。我们有了实验的思路后，需要把思路转化成具体的实验步骤。要使得你写的实验步骤具有可操作性，我们应该注意哪些问题呢？（提供典型的有缺陷的案例让学生分析、归纳） 讨论并归纳出：理顺实验步骤的顺序；步骤一般需要分段(编号）叙说；试管（或烧杯等）要给予编号，如Ａ、Ｂ或甲、乙；叙说中尽量要用规范的实验术语，不能用含糊的口语等。同学核查自己的方案，作初步修改。 强调从“思路”层次过渡到“文字表达”层次的一些注意事项
设计实验结果的记录和处理方法 [讲述]实验的结果要采取一定的方式进行记录。对原始数据还要进行处理整理，否则难以分析出规律性的东西，经过处理和整理的数据，如用表和图表达则可更直观。同学们在记录实验结果时，采用了哪种方式呢？ 同学展示自己设计的用于记录实验结果的方式，其他同学评价。 文字、图、表等各种不同的结果记录形式，体现了对信息的不同处理方式。由于时间有限，本节课不对如何将这些形式进行相互转换作过多展开
小结 我们知道了实验设计的基本步骤和应当遵循的一般原则。大家在完成一份实验设计方案后，要检查它是否科学应有一些具体的判断标准，大家看看应该有哪些判断标准呢？ 小组讨论，归纳1.目的明确吗？2.是否有效地控制和消除了无关变量对实验结果的影响（对照）？3.步骤完整吗？顺序合理吗？4.实验仪器、试剂使用合理吗？ 对判断标准的讨论过程，有助于加深学生对实验设计原则的理解。
课后 做必要的修改，及时反馈，保证学生第二课时的实施实验的过程能够有效进行。 每位同学对自己和小组其他成员的实验方案作出评价。每个小组整合各组员的方案形成一份最能反映本组实验设计水平的实验方案交老师审核。 通过学生的自评和互评形式，引导学生进行反思
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