“實驗探究，問題驅動”的教學設計
——以《光合作用的原理》為例

文/佛山市鄭裕彤中學 覃歆

一、教材內容分析

（一）地位與價值分析

本節課是“光合作用與能量轉化”的第二課時。在這一課時中，學生將進一步學習光合作用的原理及應用。學生在初中時已對光合作用的基本過程，本節的學習是對基本過程的進一步深化，學生通過對本課的學習，進一步了解光合反應中物質和能量是如何變化的。另外，課本“思考·討論”中的實驗，提供了實驗證據，教師可通過引導學生基于證據進行分析推理，自主構建概念。

（二）原有問題分析

課本在“本節聚集”等部分共設置了8 個問題。在教材問題的基礎上，結合本節課增添的情境資料，對原有問題進行了改造和延申，幫助學生搭建問題支架，啟發、引領學生進行思維探究，完成學習任務。

（三）問題設計分析

新問題是針對課本原有問題的不足而設計的，目的主要是為了用問題串的形式引發學生對探究實驗的分析和思考，自主建構光合作用過程中的物質與能量變化。（表1）

表1 新增問題分析

新增問題或是點明探究主題，提綱挈領；或是引導學生進行學習任務，推進課堂進行；或是激發學生思考，驅動概念建構。

二、教學目標

（一）生命觀念：從物質與能量視角，闡明光合作用的原理。

（二）科學探究：①通過對光合作用光反應階段和暗反應階段相關實驗研究的思考和討論，說明光合作用的過程，認同人類對光合作用的認知過程是逐步的、不斷發展的。②能結合已學知識對一些問題提出合理的假設，并能分析推理出合理的假說，用于解釋實驗結果。

（三）科學思維：歸納總結實驗結論，構建光反應和暗反應過程示意圖，并列表比較兩者在場所、物質變化和能量轉化等方面的區別和聯系。

（四）社會責任：從光合作用的探究過程中領悟科學探究是曲折前進的，理解科學技術的進步對科學研究的促進作用。

三、情境組織

本課運用的情境資源主要分為兩類，一是視頻資源，二是課本思考討論中相應的探究實驗的示意圖，作為情境資源引導學生分析。（表2）

表2 課堂情境組織情況

本課運用的情境資源多數來自科學史上關于光合作用的經典實驗，進行簡化和整合后作為引導學生思維探究的背景材料，符合學生的認知水平。

四、教學過程

根據圖1 所示的設計流程，展開本課教學。

圖1 課程設計流程示意圖

圖2 希爾實驗示意圖

圖3 魯賓和卡門實驗示意圖

（一）導入新課

播放“糧食豐收”視頻，并提出問題：（1）水稻生長、結穗過程中積累的有機物主要是由什么生命活動合成的？（2）除了產生有機物，這項生命活動還發生了哪些物質變化？

設計意圖：通過視頻資料喚起學生對初中學過的光合作用基本過程的記憶，并且激發學生對光合作用原理的探究興趣及熱情，引入探究主題——光合作用過程中的物質和能量變化，同時激發學生的民族自豪感。

（二）光反應中的物質變化和能量轉化

將科學家對光合作用原理的探究歷程上的幾個經典實驗進行整合和簡化處理，用簡短的文字資料或是流程示意圖的形式，作為情境資料呈現給學生。

1.希爾實驗

通過問題：（1）O2中的氧元素，是來自于H2O 還是CO2？（2）希爾實驗可以得出什么結論？（3）希爾實驗能否說明O2中的氧元素全部來自于H2O？來引導學生對實驗結果進行思考。

2.魯賓和卡門實驗

提出問題：（1）可以用什么科學方法研究元素的來源？（2）分析實驗結果，可以得出什么結論？（3）希爾發現，添加到離體葉綠體中的氧化劑被還原了，這說明什么？

3.阿爾農實驗1

實驗材料：離體葉綠體

實驗處理：加入ADP、Pi，給與光照

實驗結論：光照下，葉綠體可合成ATP，這一過程總與水的光解相伴隨。

對復雜的實驗過程進行簡化和文字梳理，用上述方式呈現給學生，并提問：根據能量守恒定律，吸收的光能發生了怎樣的能量轉化？

設計意圖：教師提供實驗證據，通過問題串引導學生分析實驗結果和實驗結論，讓學生意識到氧氣的釋放只與水有關。再通過引導學生推測，葉綠體內存在某種氧化劑，在水光解的過程中被還原，從而引出新的問題。學生在教師的提問引導下對兩個經典實驗的方法、過程和結果進行分析和論證，逐漸得出結論。

（三）暗反應中的物質變化和能量轉化

4.阿爾農實驗2

實驗材料：離體葉綠體（見下表）

通過“糖類合成時所需能量從何而來？”這一問題，引導學生思考光反應和暗反應之間的聯系。

5.卡爾文實驗1

實驗現象：放射性首先出現在C3，而后同時出現在C5和C6中。

卡爾文實驗2

實驗現象：光照下突然中斷CO2供應，C3減少而C5量增加；突然停止光照，C3濃度升高而C5的濃度降低。

先呈現實驗1 的現象，讓學生以此為依據構建CO2和C3、C5之間的轉化關系。然后再呈現實驗2，提問實驗2 的結果是否支持大家剛才的假說？為什么？從而引導學生根據新的實驗結果修正剛才的假說。若學生無法作答，教師可提示學生，從來源和去路兩方面去分析C3和C5的變化趨勢。例如，可以這樣提問：“當來源減少，去路增加時，物質的積累量就會減少。中斷CO2供應C3減少、C5增加，說明CO2與C5是反應物，而C3是生成物。即CO2+C5→C3。再結合放射性出現的先后順序，大家來分析一下，CO2、C3、C5和C6之間的的轉化關系是怎樣的？”

最后，通過（1）光反應和暗反應在物質變化和能量轉化方面存在什么聯系？（2）水稻進行光合作用的過程中發生了怎樣的物質和能量變化？由此，你是否能嘗試總結光合作用的概念？引導學生對本課核心概念進行總結。

設計意圖：根據卡爾文實驗的結果，提出假說并推翻，再構建新的模型來解釋實驗結果，學生的科學思維及科學探究可達水平三。

五、教學反思

本課基于光合作用相關的探究實驗，運用問題驅動的教學策略，學生在學習光合作用的原理過程中，不僅落實了物質與能量的生命觀念，科學探究能力和科學思維、社會責任也得到了鍛煉和提升。學生們在教師精心設計的問題的驅動下，通過科學論證，對光合作用的具體原理有了深刻認識，并自行構建了光合作用的概念，學習的積極性和主動性得到了充分釋放，并且對概念本身和概念的形成過程都有了更加深刻地認知，學習效果良好。