“探究环境因素对光合作用强度的影响”是2019年人教版高中生物学《必修1·分子与细胞》第5章第4节的内容。承接“光合作用的原理与应用”，本节课既能加深学生对光合作用的原理的理解和掌握，更能通过开展探究性实验，提升学生核心素养。因此，基于核心素养，通过自制实验装置，设计和开展教学活动，落实课程标准的要求。
1 教学目标的确立
依据普通高中生物学课程标准、教材分析、学情分析确立教学目标。
1.1 课标要求
普通高中生物学课程标准（2017年版）内容要求为：概念2 细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖；2.2 细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域。教学提示：为帮助学生达成对概念2的理解，促进学生生物学学科核心素养的提升，应开展下列教学活动：（5）探究不同环境因素对光合作用的影响。学业要求：从物质与能量视角，探索光合作用与呼吸作用，阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质和能量的变化（生命观念、科学思维、科学探究）。
因此，教师应注重探究性实验教学，引导学生通过提出问题、设计实验、控制变量等探究方法，实施探究性实验，使学生能够从动态、辩证的角度加深对概念2的理解和认识。
1.2 教材分析
“探究环境因素对光合作用强度的影响”是2019年人教版高中生物学《必修1·分子与细胞》第5章第4节的内容。本节课的探究活动，既能加深学生对概念2的理解和认识，又能提升科学思维，培养科学研究能力，为后面学习和探究打下基础，起到承上启下的作用。
1.3 学情分析
本节课是在学习了叶绿体的结构与功能和光合作用的原理之后进行的，学生对光合作用的原理、物质变化和能量变化已有了一定的理解和掌握。探究实验中运用的小麦、LED灯光、注射器等也是学生基本了解的。前期学生已经亲身参与“比较过氧化氢在不同条件下的分解”、“探究酵母菌细胞的呼吸方式”等实验，已具备实验操作和实验探究的基本能力，同时也基本具备了控制变量、单因素对照实验进行科学研究的思维，但综合分析能力、综合探究能力和叙述能力仍有欠缺。
1.4 教学目标
基于以上分析，将教学目标确定为如下四点：
（1）关注世界粮食危机，学会将知识运用到生产实践中，努力为社会做出自己的贡献，承担一定的社会责任；
（2）通过实物观察，分析影响光合作用强度的环境因素，建立生命观念；
（3）通过小组合作、设计和实施应用控制变量法探究环境因素对光合作用强度的影响实验，进行科学探究；
（4） 通过小组合作、讨论、辨别、设计创新，运用批判性思维和创造性思维，进行科学探究，提升解决实际问题的能力。
2 实验创新思路
通过总结前人对本节课的开展情况，发现有两类问题。一类是开展“黑板实验”，导致学生对本节课认识程度不足、兴趣低下，难以理解实验原理和思路，学习效果差等问题；一类是按课本开展教学实验，但往往出现实验材料难抽汽处理、易受损伤、结果不显著、难以开展多因素探究实验等问题。基于此，本人通过反复实验，最终将实验材料改为小麦，并自制实验装置。
2.1 实验材料创新
选择小麦作为实验材料，主要原因如下：
（1）小麦是世界三大农作物之一，与世界粮食安全息息相关，而植物光合作用强度与粮食产量与安全息息相关。借此构建真实学习环境，有利于提升学生对本节课认识高度，培养学生关注社会热点，承担社会责任的意识，并产生学习兴趣，从而主动探究，利于教学目标的达成。
（2）小麦容易获得，易于培养，可开展多项实验。例如小麦干旱胁迫实验、低氮胁迫实验等。也可检测叶绿素、气孔、表型、含水量、干鲜重等多项指标，极大拓展了学生的探究空间和思维空间。此外，由于同一生长期同一叶位的小麦叶片宽度基本相同，取样时可剪取同一叶位的小麦叶片若干，一端对齐后可剪取大量长度相同的叶片，省时省力。小麦叶片轻盈，可利用20ml注射器在短时间内抽取大量的叶片，下沉迅速，开展实验时，上浮较快，效果显著。
2.2 实验装置创新
本人利用复合板、具开关灯头、LED全光谱植物生长灯（5W，含不同光质类型）、40cm*50cm木板、黑卡纸、图钉等材料制作实验探究装置。原因如下：
（1） 本装置灵活性强，学生可以通过合作、讨论、分析，对装置进行多角度改装，从而利用同一装置探究不同环境因素对光合作用强度的影响，也可进行二次改装，探究多因素对光合作用强度的综合影响；
（2） 本装置制作简单、成本低、易拆卸和易收纳；
（3） 本装置中将光源改为LED全光谱植物生长灯，加速叶片上浮时间，效果显著。
3 实验教学设计思路
本人结合教学目标和自制实验装置，确立教学设计思路。正式上课前，向学生介绍2019年世界粮食安全报告，使学生认识到粮食安全的重要性，且农作物光合作用强度与粮食产量安全息息相关，继而向学生介绍世界三大农作物之一的小麦，并安排学生以小组为单位利用课下时间培养小麦幼苗，并通过观察，分析影响光合作用强度的环境因素。结合教师提供的实验装置和材料，要求学生对实验装置进行一次改装，设计实验方案，探究单个环境因素对小麦光合作用强度的影响；正式上课时，首先由各小组展示实验设计方案，并开展实验，以坐标图的形式展示实验结果，并提出实验结论。随后，请同学们开展小组间合作，互相交流、合作，利用已有经验和装置，对实验装置进行二次改装，探究多因素对光合作用强度的影响，以坐标图的形式展示实验结果，并提出实验结论，再根据两次探究实验，提出提高农作物产量的可行性措施。最后，老师对学生的表现作出点评。并进一步向学生展示其他社会热点问题，例如生物因素对植物光合作用强度的影响、转基因抗虫棉、袁隆平院士的海水稻研究等，使学生认识到运用科学知识和方法，能够造福社会，因此，教育学生关注社会问题，勇于承担社会责任，将所学知识和方法运用到生活和科学研究中。
4 教学过程
4.1 创设教学环境，关注社会问题，激发探究兴趣，承担社会责任（正式上课前）
情景导入：教师提出问题：当同学们坐在现代化的教室学习时，是否思考过，饥饿！粮食安全！距离我们遥远吗？引起学生思考，继而展示2019年联合国粮食安全报告，指出2018年全球约有1.3亿人处于严重饥饿状态，并结合中国古语“民为国基，粮为民基”，使学生认识到粮食安全的重要性。随后播放图片展示世界三大农作物——水稻、玉米、小麦，引出本节课实验材料——小麦，安排学生活动
学生活动：以小组为单位利用课下时间培养小麦，并思考完成以下问题及任务
（1） 小麦的产量与生物学中哪个反应直接相关？
（2） 光合作用的强度是什么？如何测量？
（3） 影响小麦光合作用强度的环境因素有哪些？
（4） 选择一个环境因素，探究该因素对小麦光合作用强度的影响，利用教师提供的实验装置和材料，进行改装，设计实验方案。
材料用品：小麦、教师自制实验装置、碳酸氢钠溶液（可提供二氧化碳）、水、20ml注射器、烧杯、培养皿、剪刀、镊子、记号笔。
设计意图：引导学生关注社会问题。驱动学生利用已有知识，合作探究环境因素对小麦光合作用强度的影响，并提出粮食增产的可行性措施，承担社会责任。
4.2 任务驱动，组内合作，改装设备，探究单因素对光合作用强度的影响（正式上课）
学生活动：学生展示小组课题及实验设计方案，每组选派一名代表回答以下问题：
（1） 本组实验实验课题是什么？
（2） 实验的自变量是什么？如何控制？
（3） 实验的因变量是什么？如何检测？
（4） 实验的无关变量是什么？如何处理？
（5） 实验方案是什么？
设计意图：通过小组展示，引导学生进行对比、辨别，发现他人优点和自身问题，培养学生批判性思维。
各学生小组实验装备改装方案
（1）控制实验距离，探究光照强度对光合作用强度的影响。
（2）改变光源，探究光质对光合作用强度的影响。
（3）由于碳酸氢钠溶液可以稳定提供二氧化液，改变碳酸氢钠溶液浓度，探究二氧化碳浓度对光合作用强度的影响。
（4）改变碳酸氢钠溶液的温度，探究温度对光合作用强度的影响。
各小组展示实验课题与方案后，开展实验，记录实验数据，以折线图的形式展示实验结果，得出实验结论，教师分别对每组表现作出评价。
4.3 组间合作，深入探究，二次改装，探究多个环境因素对光合作用强度的影响
学生活动：教师引导各组学生互换，开展组间合作，通过交流和讨论，对装置进行二次改装，设计实验方案，探究多个环境因素对光合作用强度的影响。
设计意图：通过组间合作探究，进一步培养学生创造性思维和科学探究能力。
以下为组间合作后的改装方案：
（1）学生在探究二氧化碳浓度对光合作用强度影响的实验基础上，改变烧杯到光源的距离,探究二氧化碳和光照强度对光合作用强度的影响。
（2）学生在探究二氧化碳浓度对光合作用强度影响的实验基础上，改变溶液温度，探究二氧化碳和光照强度对光合作用强度的影响。
（3）学生在探究光照强度对光合作用强度影响的实验基础上，改变溶液温度，探究光照强度和温度对光合作用强度的影响。
探究实验结束后，学生展示实验结果，教师予以点评。
4.4 关注社会，拓宽视野，学以致用，勇担责任
教师活动：课程最后，教师向学生展示科学研究热点问题，例如生物胁迫对农作物产量的影响、转基因抗虫棉、袁隆平院士主导的海水稻研究等。
设计意图：让学生认识到运用科学知识和方法，能够造福社会，因此，教育学生关注社会问题，勇于承担社会责任，将所学知识和方法运用到生活和科学研究中。
5 教学反思
5.1 基于社会责任，体现教学情境的一贯性
本实验教学中，教师由粮食危机导入，解读了2019年联合国粮食安全报告，并结合中国古语“民为国基，粮为民基”，让学生感受到粮食安全的重要性，激发学生的社会责任，进而利用世界三大农作物——小麦，作为整节课的实验材料，分析影响光合作用强度的环境因素，探究环境因素对光合作用强度的影响，结尾再次体现出粮食安全、研究热点与社会责任，保持教学情境的一贯性，既能培养学生的社会责任，又能培养学生合作探究，综合分析的能力。
5.2 科学探究能力的培养
本教学设计中，通过一套实验材料，让学生设计实验方案，探究多个实验。在多个探究实验中，不断深化对自变量、因变量、无关变量的认识。并通过不断改造实验装置，进一步提升科学探究能力与创新能力。
5.3 科学思维的培养
在实验教学中，安排学生以小组为单位合作探究，在设计实验过程中，使学生通过讨论、辨别，发现他人优点和自身问题，训练批判性思维；在改装设备过程中，让学生不断思考、学习、实践、试错、改进，训练创造性思维；通过探究性实验，训练科学研究方法，培养解决问题的能力。
大连市第八中学 杨宗泽
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