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关键词 生物学核心素养 光合作用 科学史 生物学教学
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
生物学核心素养是公民参加社会生活、经济活动、生产实践和个人决策所需的生物科学知识。那么,教师在具体的生物课教学过程中如何来提高学生生物学核心素养呢?教材文本、探究实验、现实生活、自然环境都是培养学生核心素养的对话视角。教材上有很多重要结论、原理的科学探究过程,教师应用好教材上的这些经典实验是培养学生生物学核心素养的重要途径。
以人教版高中生物必修1第五章第四节第二课时“光合作用研究的‘过去、现在、未来’”为例,让学生感悟科学家严谨的科学态度、坚忍不拔的意志品质、细致的理性逻辑。本节课的学习,学生需要联系物理、化学的相关知识,在细胞层次和细胞器的水平上来认识光合作用,形成分子与细胞水平认识生物体的结构与功能是相适应的生命观念,关注光合作用研究的未来,能大胆发挥想象,树立生命科学的创新意识和创新精神。
教学中教师以光合作用研究的“过去、现在和未来”为线索,以科学史中的若干个实验为载体,在教学过程中多角度提出问题,引导学生在实验探究中进行分析、逻辑推理,进而得出结论。
1 光合作用研究的“过去”
1.1 设疑导入
教师播放有关幼苗逐渐长大成苍天大树的微视频,然后提出:幼苗是怎么长大的呢?这与光合作用有什么关系呢?光合作用又是怎样被人们发现的呢?今天,我们就一起回到300多年前,踏着科学家的足迹,领略科学家们展现出来的核心素养。
1.2 回眸科学史,共同体验光合作用研究过程中的思维魅力
教师继续提出问题:幼苗是怎么长大的呢?所需营养物质来自哪里?亚里士多德的观点是否正确?又怎样证实?
(课前已发给学生相关中英文资料阅读,并要求学生将资料整理设计成表格形式)
教师投影学生设计的表格。
教师追问:亚里士多德的实验能得出什么结论呢?是否合理严谨?同学们谈谈自己的看法。
然后,教师展示1648年比利时科学家――范・海尔蒙特通过柳树实验,了亚里士多德的错误观点。教师要求学生分析海尔蒙特的实验结论是否完全正确,并提出问题:从植物生活环境的角度分析,还应考虑什么因素?空气对植物的生长有影响吗?
教师展示1771年,英国科学家――普里斯特利的实验过程动画,引导学生思考:
① 几组实验的现象是什么?② 有无植物的两组实验装置起什么作用?③ 该实验装置中玻璃罩有什么作用?
后来很多科学家重复普利斯特利的实验,但是很多不能成功,这是为什么呢?。
(教师引导学生学会从简单的实验中找到矛盾的地方,正确的进行推理判断,培养学生能够在新的问题情境中,基于事实和证据,采用适当的科学思维方法去质疑,并选用恰当的方式进行语言表达,提升学生的理性思维素养;逐步培养提出生物学问题、在给出的现有资料中形成恰当的方案并实施的科学探究核心素养。)
教师下面有请1779年的荷兰科学家“英格豪斯”隆重出场,请他针对上述问题给大家作报告。
“英格豪斯”扮演者用课件演示并指出普利斯特利的实验只有在阳光照射下才能成功,植物体只有绿叶才能更新空气。并提出问题:由于当时化学发展水平的限制,英格豪斯并不清楚植物吸收、释放气体的成分,你们根据现有的知识,知道是什么吗?
其他学生回答:吸收CO2,放出O2。
教师:直到1785年,由于发现了空气的组成,人们才明确这一结果。可见生物科学的发展需要建立在不同知识领域的基础上。在这一过程中,光能哪去了?植物光合作用需要重要的外界条件是什么?今天我们有幸“请到了”1845年的德国科学家梅耶,下面我们一起来欣赏他的风采。
“梅耶”扮演者用课件显示能量转换和守恒定律,指出植物在进行光合作用时,把光能转换成化学能储存起来。
(采用角色扮演的替代方式,一方面可以提高扮演者的Z言组织、表达能力,并且身临其境的当了一回“科学家”,逐步培养自己的科学思维方式;另一方面可以激发其他学生的好奇心,感觉科学家离我们并不远,就在身边,严谨的科学思想更加容易被接受。)
教师:光能转换成化学能,贮存于什么物质中呢?植物光合作用除了释放氧气,还产生什么物质呢?
课外“科学家”小组代表结合录像介绍1864年的德国科学家――萨克斯实验过程及现象,并提出问题:① 暗处理这一步是否可以省略?为什么?② 本实验是否存在对照组?若有,请指出单一变量。③ 这个实验可得出什么结论?
教师引导学生归纳每个实验结论。
(此过程的设计,一方面是为了使学生学会综合排除无关变量,抓住变量分析实验并得出实验结论,且强化科学探究实验设计的基本方法、原则;另一方面是促进学生在小组学习中主动合作,推进探究方案或工程实践的实施,并运用科学术语报告实验结果。)
“科学家”代表回顾:光合作用研究的“过去”(图1)。
设计意图:回顾科学史中光合作用的研究历程,得出光合作用的场所、动力、原料、产物。更重要的是体会在这些经典实验中映射出来的科学家的科学精神和科学态度,以及体悟到科学的思想和方法。学生可以自己大胆的讲诉自己的体会和想法。)
2 光合作用研究的“现在”
教师再次结合光合作用的“过去”,引导提出问题:光合作用释放的氧气,到底来自于H2O还是CO2?从而启发学生深层次思考光合作用研究的“现在”。
① 采用“头脑风暴”让学生各抒己见提出光合作用中需要解决的问题。如:氧气中的氧是来自H2O还是CO2中的氧?CO2是怎样固定并转化为(CH2O)的?光能是怎样被转换成化学能而被储存的?叶绿素在光合作用过程中起什么作用?……
② 运用“暗箱法”引入“鲁宾、卡门实验”和“卡尔文实验”。
教师让学生以“暗箱法”(图2)尝试从科学家的角度,发现问题、提出问题,然后讨论得出结论。这样不仅构建了光合作用的深层次知识,更培养了学生较为全面的探究能力。
③ 思维探究,模型建构。教师引导学生将光反应和暗反应结合起来,结合刚才的实验推理,构建出一个光合作用的反应过程图。学生小组合作讨论,并展示汇报,学生之间加以纠错。
(本教学片段通过“头脑风暴”、“暗箱法”、“模型构建”等系列有难度深层次的活动,旨在培养学生能够恰当选用并熟练运用工具展开观察,基于对相关资料的查阅,设计并实施恰当可行的方案,运用多种方法如实记录,并创造性地运用不同学科方法解决问题,同时能够在团队中起组织和引领作用,运用科学术语精确阐明实验结果,并展开交流,提升学生各层次的生物学核心素养。)
3 光合作用研究的“未来”
部分兴趣小组的学生将对收集的近代科学家对光合作用的研究、因光合作用的研究获得诺贝尔奖的科学家的材料进行简单介绍。例如:1954年阿尔农的循环光合磷酸化的研究;英国的希尔光反应系统的研究;1982年西德生化学家米舍尔生物膜上的色素复合体的成功分离;德国科学家戴森霍弗、胡贝尔、米歇尔3位科学家测定出了光合作用反应中心膜蛋白―色素的三维空间结构,揭示出电子和能量的传递作用,这一成就在光合作用的研究中迈出了关键一步,他们因此共同获得了1988年度诺贝尔奖。2016年5月18日的《自然》杂志,来自中科院生物物理研究所的研究成果,他们获得了菠菜光系统II――捕光色素复合物(LHC-Ⅱ)超级复合体的结构,分辨率为3.2 ■。
(设计意图:① 目前在光合作用方面,经过了几百年的研究,即使取得了不少成果,但仍然许多问题尚不清楚,光合作用的研究还有非常多的难题要去攻克,让学生知道社会热点中的生物学议题;② 结合本世纪以来,当今人类面临的一些重大问题,如粮食、能源、资源、环境污染等,使W生能够负责任地参与社会生活和决策,通过科学实践,尝试解决现实生活中的生物学问题,增强社会责任感;③ 引导学生大胆展望光合作用研究的未来促进沉重的课后继续学习,并学会用生物知识指导、解决生产和实践中的具体问题。)
关键词:探究;课堂教学;促进;光合作用;理解
中图分类号:G633.91
在高中生物教学中,探究性学习包括:资料探究(如DNA结构的发现)、科学史探究(如光合作用的发现史)、实验探究(如探究酵母菌的呼吸方式)、调查性探究(如转基因食品的安全性问题),而探究式课堂教学则是以探究为基本特征的一种教学活动形式。
首先我们通过探究科学家们在光合作用的探索历程中所做的重要实验来了解光合作用,由学生简述理论要点并对此作出评价来体验探究过程。
1771年普利斯特利通过实验证实植物可更新空气,但缺乏对照,说服力不强。
1779年英格豪斯通过实验证明普利斯特利的实验只有在阳光下,植物只有绿叶才能更新空气。
1845年梅耶指出光合作用把光能转换为化学能。
1864年萨克斯通过实验证明了光合作用的产物除O2外还有淀粉,还证明了光是光合作用的必要条件。
1880年恩格尔曼通过实验证明了光合作用的场所是叶绿体,O2是由叶绿体释放的。
1939年鲁宾和卡门通过实验证明了光合作用释放O2的来自水。
20世纪40年代,卡尔文等通过实验探明了光合作用中CO2中的碳转移途径。
通过以上光合作用发现史的探索历程,我们知道了光合作用的场所是叶绿体,条件是光照,原料是二氧化碳和水,产物是有机物和氧气。这可以更好的让学生理解光合作用的概念,即光合作用是指绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧气的过程。
其次,我们通过实验来探究环境因素对光合作用强度的影响及应用:
实验原理:利用真空渗入法排除叶肉细胞间隙的空气,充以水分,使叶片沉于水中。在光合作用过程中,植物吸收CO2放出O2,由于O2在水中溶解度很小而在细胞间积累,结果使原来下沉的叶片上浮。根据在相同时间内上浮叶片数目的多少(或者叶片全部上浮所需时间的长短),即能比较光合作用的强弱。
根据实验原理,可以设计出探究光照强度对光合作用强度的影响,探究CO2浓度对光合作用强度的影响,探究温度对光合作用强度的影响。但在设计实验时一定要注意对照原则、单一变量原则、科学性等原则。在此教师可以进行启发式提问,在这些探究实验中自变量分别是谁?又如何控制?因变量又是什么?如何检测?无关变量又如何控制?实验过程中还要注意哪些问题?通过学生讨论交流来设计实验方案并逐步完善。
比如在探究光照强度对光合作用强度的影响时的实验流程:
1、用打孔器在生长旺盛的同种绿叶上打出直径为1cm的小圆形叶片(30片)。
2、抽出叶片内气体:用注射器(内有清水、小圆形叶片)抽出叶片内气体(O2等)。
3、小圆形叶片沉水底:将内部气体逸出的小圆形叶片放入黑暗处盛清水的烧杯中,小圆形叶片全部沉到水底,备用。
4、取相同大小的烧杯,记作甲乙丙,分别加入30mL富含CO2的清水,各放入10片步骤3中的小圆形叶片,小圆形叶片全部沉到水底。
5、把甲乙丙三烧杯同时放在光照强度分别为强中弱的光照下,但一定要控制无关变量温度(在光源与烧杯之间添加一个装满水的玻璃槽)。
6、让学生预测实验现象,并设计记录实验现象的表格。
7、观察记录对照实验的现象:
小圆形叶片 加富含CO2的清水 光照强度 叶片浮起数量
甲 10片 30mL 强 多
乙 10片 30mL 中 中
丙 10片 30mL 弱 少
8、实验结论:在一定范围内,随着光照强度不断增强,光合作用强度也不断增强(小圆形叶片中产生的O2多,浮起的多)。
那么又该如何探究CO2浓度对光合作用强度的影响呢?同学们讨论交流后发现依然可以使用前面探究光照强度对光合作用强度的影响的实验流程,只需要把步骤4中分别加入30mL富含CO2的清水,更换为依次加入30mL富含CO2的清水、30mL清水、30mL煮沸冷却后的清水,步骤5中改为把甲乙丙三烧杯同时放在相同且适宜光照强度下即可。其对照实验现象的结果应为:
小圆形叶片 CO2的浓度 光照强度 叶片浮起数量
甲 10片 富含CO2的清水30mL 强 多
乙 10片 清水30mL 强 中
丙 10片 煮沸冷却后的清水30mL 强 少
视频播放:海尔蒙特的实验。小组讨论:通过该实验能够得出什么结论?(水是植物体建造自身的原料。)学生通过观看科学家的经典实验,在观察与思考中自己寻找答案,这样的学习方式既有趣、轻松,又能学习观察和科学思维的方法,体会实事求是的科学态度,习得的知识既扎实又能灵活应用。教师再顺势提问,引起学生进一步探究的欲望。提问:植物体仅仅利用水就能长大吗?播放视频:英国科学家普利斯特利的实验及其他人的重复实验。提问:①没有绿色植物的密闭容器内蜡烛为什么很快熄灭?小鼠为什么很快死亡?②有绿色植物的密闭容器内蜡烛为什么不会熄灭?小鼠和绿色植物为什么能长期存活?③为什么其他人重复普利斯特利的实验有的能够成功,有的总是失败呢?现在学生接受知识和信息的渠道广泛,部分学生能够得出正确答案:蜡烛燃烧和小鼠呼吸释放二氧化碳,吸收氧气;绿色植物吸收二氧化碳,释放氧气;该实验需要在阳光下才能成功。但教师须强调,该实验在当时的条件下,普利斯特利只能得出“绿色植物能够更新由于蜡烛燃烧和动物呼吸而变得污浊的空气”的结论。“绿色植物吸收二氧化碳,释放氧气;蜡烛燃烧和小鼠呼吸释放二氧化碳,吸收氧气”的结论是后来的科学实验证明的,而需要阳光也是后来由荷兰科学家英格•豪斯证实的。通过这些实验及其讲述,让学生了解科学探究的艰辛,一个重要结论的取得往往需要几代科学家进行无数的实验。为了让学生更直观地感受植物光合作用释放氧气,可以利用人教版初中生物学七年级教材中的演示实验:出示事先准备好的演示实验装置,取出试管,将快要熄灭的火柴或卫生香迅速伸进试管口内,让学生观察火柴或卫生香的燃烧情况,直观感受金鱼藻光合作用产生了氧气。通过所述实验,让学生知道绿色植物的光合作用需要水和二氧化碳,也需要光,才能够释放氧气。同时产生新的疑问:绿色植物是不是直接利用水和二氧化碳构建了自己的身体?为什么需要光?为什么会释放氧气?绿色植物是否利用水和二氧化碳制造了新的物质呢?教师通过这些疑问,以问题串的形式引导学生积极思考和继续探究,使学生在整个课堂教学中始终处于问题情境中,不断寻找答案,不断产生新的疑问。
二、实验探究光合作用的条件和产物
生物学是以实验为基础的学科,可在重要概念传递过程中,让学生自己去探究和发现,真正理解概念的内涵和外延。提出实验探究课题:绿叶在光下制造有机物。实验步骤如下:①把天竺葵放到黑暗处饥饿一昼夜后,用黑纸片将叶片的一部分从上下两面遮盖起来,放在阳光下照射几小时;②取一部分遮盖的叶片,去掉遮光纸片;③把去掉遮光纸的叶片放入盛有酒精的小烧杯中隔水加热,使叶片含有的叶绿素溶解到酒精中,叶片变成黄白色;④(实验前教师要交代清楚隔水加热和碘遇淀粉变蓝的现象)用清水漂洗叶片,再把叶片放到培养皿里,向叶片滴加碘液;⑤稍停片刻,用清水冲掉碘液,观察叶片发生的颜色变化;⑥提问:为什么要把天竺葵放在黑暗处一昼夜?为什么要用黑纸片把叶片的一部分遮盖起来?绿色植物制造了什么新物质?⑦学生分组讨论并回答。探究实验后,学生通过合作与交流,能加深对相关知识意义的理解,促进对概念的意义建构,提高自主学习能力。教师进一步讲述:现在知道,绿色植物光合作用的原料:水、二氧化碳;产物:氧、有机物(贮存能量);条件:光。那么,光合作用是在绿叶的什么结构中进行的呢?(视频播放:恩格尔曼实验。分组讨论并回答:好氧细菌为什么集中在叶绿体被光束照射到的部位呢?)
三、构建概念体系
随着素质教育改革的不断深入,教学效果已经越来越成为评定教学质量的一个重要的因素在生物教学中,实验起着补充理论课堂缺陷,以实现提升学生探究精神和培养学生生物学科素养的作用因此,在生物教学实践当中,教师应当有意识的提高实验在教学中的比重本文主要借助于光合作用产物章节,浅谈实验教学在生物教学中的作用
一、重现经典实验
光合作用章节是初中生物中的一个重点的章节内容,因此,教师应当给于极高的重视具体的教学实践时,教师可以先将光合作用的概念抛给学生,然后再引导学生跟随科学家的脚步,进入光合作用的发现过程这就需要教师通过教材或者相关权威资料,明确光合作用发现时,所具备的原料、条件以及产物等等,然后带入学生走进实验室开始探索光合作用的产物之旅当然,真正实现当时的条件是不现实的,这就需要教师积极借助多媒体技术,向学生展示当时发现这一作用的生物学家,例如海尔蒙特、普利司特里,所使用的相关实验器材,以及后续科学家所进行的改进实验等等,如图1:[TP7CH01TIF,Y#]让学生在一种直观的视觉冲击之下,形成对光合作用产物的感性认知这样一种再现经典实验的形式,不仅能够将理论知识具象化同时,这种实验室教学模式,让学生摆脱了枯燥课堂,对于提升他们学习生物的兴趣来讲也是具有非常大的作用
二、培养学生的生物思维
学科思维是学生从感性认识上升到理性认识的进步教师要想提高生物教学的效果,就必须将学生对于生物这门学科的思维培养出来而要实现这一教学目标,教师可以通过让学生在再现的经典实验中深入观察,并对光合作用中所发生的各种现象加以对比和分析,从而将这种思维逐步地建立起来具体的可以遵循以下几个原则
第一,对比性原则对比性实验是生物实验中较为常用的一种实验类型在探究光合作用产物的实验当中,教师可以让学生分析海尔蒙特实验中的对比因素和不变因素,然后根据教材中光合作用实验的变量控制,找到海尔蒙特所忽略的因素
第二,可重复性原则“光合作用到底产生了什么?”,对于这一命题的回答并非一蹴而就的,而是在不断地质疑和提问中最终得出现在的结论教师在引导学生探索光合作用产物的过程中,应当让学生积极参与到实验失败的原因分析当中,以培养学生敢于质疑,耐心重复实验的学习品质
第三,科学性原则在科学家探究光合作用产物的进程中,其实验的方法和步骤也是越来越科学和严谨本着这一原则,教师就可以让学生开始自己的探索实验虽然学生不可能如教材中有那么严密的实验方案,但是他们的实验科学思维会得到不断的锻炼
第四,单一变量原则在为学生再现恩格尔曼的实验中,教师可以向学生抛出在比较前一阶段的实验中,本次实验能够得到哪些心的结论,实验的精妙之处在那里,以及实验中是否存在对照等问题学生只有将这些问题回答出来,才能够真正明确控制单一实验变量的作用,才能够真正在自身的实验中实际运用这一原则
教师在实验中引导学生明确并把握这些原则,对于学生实验思维的建立来讲具有非常重要的意义同时,这一实验性教学还能够让学生形成开拓进取、勇于创新的学习习惯尤其是在跟随光合作用产物的一步一步的探究实验中,更能够让学生体会到一味的按照科学的实验步骤,往往会辖制人的思维,这对于发现重要的成果来讲是一个非常大的障碍因此,必须具备敢于开拓进取、锐意创新的精神,才能够在原有认知上有重大的突破而实验性教学正能够为学生实现自我的突破和创新提供了一个科学的平台,让学生在自我的批判和否定中,发现自身学习生物的盲区,从而不断提升生物这门学科学习的兴趣
三、培养学生的生物学科技能
关键词:学情分析;旧知识;光合作用
学生的生物学习过程是一个自主构建自己对生物学知识的理解的过程。他们带着自己原有的知识背景(旧知识)、活动经验和理解走进学习活动,并通过自己的主动活动,包括独立思考、与他人交流和反思等,去学习新知识,建构对生物的理解。
1.旧知识是学生新知识学习的阶梯
初中课本中已有对光合作用的简单描述,通过一系列探究实验,学生能阐述绿色植物光合作用的产物、原料及条件。基于学生这样的基础,我们新课的开始则可以设置一些问题来唤醒学生的记忆:
①光合作用的产物有哪些?你是怎么知道的?
②光合作用的原料有哪些?
③什么样的生物可以进行光合作用?
④光合作用离不开一种细胞器,它的名字是什么?
⑤根据上面的问题,你能写出光合作用的反应式吗?
学生很快就可以得出这样的结论:光合作用是绿色植物利用叶绿素等光合色素在可见光的照射下,将二氧化碳和水转化为有机物,并释放出氧气的过程,并写出反应式CO2+H2OO2+(CH2O)。
但是学生需要学习的新知识并不局限于此总反应式,而是以此为阶梯,继而掌握光合作用的具体过程,即光反应和暗反应,书本在P103―104详细地描述了这两个反应阶段,还配置了相关的反应图解,这才是本节的重点及难点。
如果新课学习的时候一上来就学习光合作用的具体过程,学生看到书本中对于光反应和暗反应相当长的描述,错综复杂的反应式图解,就很容易产生畏难情绪,觉得这么枯燥又复杂的东西自己肯定学不会,没听几分钟就开始走神了。所以利用复习学生原有的知识基础引入新知识,为新知做好了铺垫。
2.新知识的学习补全旧知识
学生初步回忆起光合作用的反应式后,教师一步步分析,提出更深入的问题。
(1)光合作用的产物氧气是哪里来的?在氧气形成的同时还有哪些产物的产生?请仔细阅读书本P103这一段的描述,回答这个问题。
(2)你能将刚刚学习的文字部分转变为化学反应式吗?
(3)像淀粉这样的糖类是怎样一步步合成出来的?请仔细阅读书本P103这一段的描述,回答这个问题。
(4)你能将刚刚学习的文字部分转变为化学反应式吗?
(5)填表:
问题分步出现,按光合作用发生的顺序层层递进,在这些问题的指引下,学生以阅读为基础,在没有教师指导的情况下主动探索新知识,将书中的新知识内化为自己的知识。新旧知识之间既有相互贯通的地方,也有不同之处。而这种不同点往往正是旧知识的发展与提高,所以要抓住新旧知识的连接点。通过新旧知识的比较让学生亲历知识的发生发展过程,学生在知识的发生发展过程中获取知识,掌握知识,体验独立发现的愉悦。不同的学生进行这一步的时间是不同的,因为他们拥有的旧知识的多少、旧知识掌握的牢固程度都是不同的,在此基础上搭建新知识的速度和牢固程度自然不同。所以说教师要给予足够的时间自己看书,教师任何巧妙的教法都无法代替学生主动内化的过程。其次,这些知识不是一下子需要学生学会的,而是分步分阶段地逐步掌握的过程。
3.旧知识也会阻碍新知识的获得和巩固
本节课位于必修一第五章第四节,在第三节中我们已经学过呼吸作用,
呼吸作用反应式:C6H12O6+6O2+ 6H2O6CO2+12H2O+能量。
光合作用反应式:CO2+H2OO2+(CH2O)。
从上面两个反应式看,光合作用的原料刚好是呼吸作用的产物,光合作用的产物又是呼吸作用的原料。看上去很像是简单的逆转,但它们是截然不同的复杂过程。
在人教版高中生物学教材《生物?必修1分子与细胞》的第5章,在“细胞的能量供应和利用”的内容中,安排了第4节“能量之源—光与光合作用”的教学内容。本内容包含的重要知识块之一是捕获光能的色素和结构,编著紧紧围绕第5章“细胞的能量供应和利用”的主题而设定教学内容,又与其他学科之间相应联系,现将对“捕获光能的色素和结构”的教材结构进行解读。
1.教学重难点分析
根据教材的编著特点,分析本教学内容中的重点有3个:其一,绿叶中色素的提取和种类(验证性实验);其二,色素对光谱吸收存在的差异;其三,叶绿体的结构。在叶绿体色素的提取和分离(验证性实验)中,培养学生实验动手能力和对实验结果的分析能力,证明色素种类有4种,先引入物理学中的波峰、波谷的知识分析第99页图5~图10叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱,再通过4种色素溶液,放在阳光与三棱镜之间的实验介绍,由于色素吸收不同光谱而变暗,证明不同色素对光谱的吸收存在差异,进一步了解色素位于叶绿体的类囊体结构薄膜上,由于叶绿体基质和基粒中都含有酶,从而得出结论,叶绿体是进行光合作用的场所,这是构建学习光合作用原理和应用的基础,没有特别使学生难掌握的内容,故没有教学难点。本节内容教学难点集中分布在“光合作用的原理和应用”中,根据对教材的重点分析,来确定教学中的三维目标。
2.确定三维目标
由于本节内容为2课时,根据教材的具体内容,结合重点,确定教学中的三维目标如下:
(1)知识目标
通过“绿叶中色素的提取和分离”实验,学生能说出色素种类和作用;通过识图能简述叶绿体的结构和功能。
(2)情感态度和价值观的目标
以科学家恩格尔曼对光合作用先后研究实验的时间为序,认同科学与技术的相互支持;是科学家在继承前人的科研成果上,开拓创新,践行科学精神和科学态度的结果;认同科学家是平凡而伟大的人;认同自己通过努力,将来也可以成为一名科学家。
(3)能力目标
以恩格尔曼实验,厘清对比实验和对照实验的区别;学会科学实验中,通过自变量的控制来观察因变量的变化;学会提取和分离色素的方法。在本节内容的资料分析、思考与讨论、实验探究等问题讨论中,注重语言表达能力和分享信息能力的培养。
二、课堂教学策略
内容“捕获光能的色素和结构”的教学策略定位:用生物学中“物质组成结构,结构决定功能”和“结构与功能和谐统一的学科思想”引领该内容教学。
1.捕获光能的色素和结构
在本节内容教学中,要引入物理学、化学、哲学等基础知识,使本内容的重点内容得到有效突破。
(1)课时安排
第一课时(学生实验):绿叶中色素的提取和分离,要求学生将实验成果(具有色素带的滤液纸条)夹在书中避光保存,备用;第二课时,除实验以外的内容,全部在一节课内完成。
(2)设置导言
以种在山坡阳面的小麦比阴面的小麦长得好,和课本中大棚蔬菜用红色的日光灯照射来引入课题,并进行光与植物生长关系的简单介绍,说明光的重要性,是植物生长不可缺少的外因,并处理好“问题探讨”栏目中的内容。
(3)全程教学中注重构建一个完整、符合生物学科的逻辑体系
即第二课时通过“绿叶中色素的提取和分离”实验复习,证明绿叶含有4种色素,展示自己的实验成果,但绿叶中色素随时间、叶龄不同,4种色素的含量是不同的。逻辑体系为:绿叶中4种色素对光谱吸收存在的差异(叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光)色素存在部位(叶绿体)上叶绿体结构 叶绿体的功能(光合作用的场所),这是“结构与功能和谐统一”体现之一。
(4)幻灯片制作
教材中除练习题中的插图外,利用全部插图制作幻
灯片,解决因图片小,多数学生无法观察的难题,有利于学生识图,培养学生的图文转换能力,还增加一幅叶绿体图,该幅图片还重点用于“光合作用过程”的教学(如图1所示)。
(5)色素对光谱吸收差异的教学流程
展示第99页图5~图10叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱的幻灯片学生认识5种不同波长的光谱通过不同色素吸收光谱的波峰、波谷得到结论:叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
(6)指导学生观察图1
学生识图归纳叶绿体的结构特点为:类囊体薄膜面积大;色素多;酶分布在基质、基粒上;这样的结构特点就决定了光合作用的场所是叶绿体。
一、教师要给学生一定的自由时间
在教学中,适度的讲授是学生理解的前提,但如果过度讲授就不利于学生的主动参与。过度讲授导致信息量超出学生的接受力,使学生思维疲劳,失去兴趣,降低兴奋度;过度讲解使学生失去许多自主参与的时间;过度讲解意味着教师在帮助学生理解时费尽心机,这就降低学生理解的难度,使学生失去了在一定难度的理解过程中发展自己的机会。
随着新课程改革的推进和教师教学观念的更新,课堂上教师的讲授量减少了,启发、思考、讨论、探究等活动增加了。教材也给学生提供了许多的问题,供同学们思考、讨论、活动。每节课中都有“问题探讨、思考讨论、讨论、与社会的联系、资料分析、技能训练”等,每一位教师都还会另外再设计许多问题,如果课堂上诸多问题和繁琐的提问占据了学生的学习时间,学生就没有足够的时间进行思考、讨论、体验、拓展等活动。因此,教师在教学中要给学生一定的自由支配的时间。当然这“自由时间”不是放任自流,而是教师精心策划的,是充分发挥其自主性的需要。
二、指导学生多阅读
1.慎读,即用心地读
引导学生分析阅读内容的句子结构、含义,从而全面准确掌握知识。如“酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,其中绝大多数是蛋白质”,酶是主语,有机物是酶的本质,两个限制性词语指出了酶的来源和作用。又如阅读氨基酸分子结构的共同点:“每种氨基酸分子至少都有一个氨基和一个羧基,并且都有一个氨基和羧基连在同一个碳原子上”,“至少”即并非仅含有一个;又如“光合作用是指绿色植物通过叶绿体利用光能,把CO2和水转化成储存能量的有机物,并且释放出能量的过程。”这概念中就包含了光合作用的场所、原料、条件、产物等。如此点拨、分析,学生就会理解得更加透彻,记忆更加牢固。
2.图文对照阅读
新课程通过大量的图表,包括生物结构示意图、模式图、概念图、流程图和各种各样的表格,把抽象的概念具体化、过程简单化、知识条理化、趣味化。学生往往忽视了图表的作用。教师要提高学生对图表的重要性的认识,使他们明确图表往往是重点、难点的标志,养成图文对照阅读的习惯,充分发挥图文互补的作用,有利于加深理解,增强记忆,训练观察能力、空间想象能力和直觉思维的能力。如组成细胞的元素中,各种元素的干重百分比、鲜重百分比全在图中,组成细胞的化合物的含量在表中。还有细胞亚显微结构图、细胞膜亚显微结构图等等,几乎每节课都有几个图、表与文字配合说明。
3.对比阅读
对比是认识事物异同关系的思维过程。把易混的和有对比意义的内容放在一起阅读,有利于区分异同,从而深化对事物的认识。如“叶绿体和线粒体、光合作用和呼吸作用、光反应和暗反应、有氧呼吸和无氧呼吸、DNA和RNA”,通过对比辨析阅读可以理解二者之间的不同结构、概念、功能、实质、条件、产物、过程等等,从而深刻掌握生物学知识。
三、让学生多思考、多讨论
讨论是在教师的引导下学生积极参与对教材的基础知识和中心问题的探讨活动。引导讨论要注意以下几个环节。
1.问题要有知识性和趣味性
教师的设问要能激发学生的兴趣,所以要充分研究与教材中的知识点相联系的兴趣因素,做到知识性与趣味性相结合。例如:CO2浓度与光合作用强度有什么关系?这样的问题太平淡,不会引起学生的兴趣,如果改成:在炎热的夏天,植物的气孔关闭了,光合作用的强度是上升了还是下降了?为什么?这样学生就会有较大的兴趣,争先恐后地发表自己的见解。
2.问题要有科学性和启发性
问题的科学性是学生沿着正确的思路思考讨论的前提,也是学生自主性体现的质量保证。问题必须科学、清晰、无歧义,不能模棱两可。例如“光合作用是什么时候进行的?”,学生就会答“白天进行”,如果改成“光合作用需要在什么条件下进行?”,则问题就比较明确,学生容易回答。又如“炎热的夏季中午植物的气孔关闭,光合作用为什么会下降?”学生往往答错或者答不出来。此时需要教师分层化解:“气孔有什么作用?”、“暗反应的反应物是什么?”经过启发这样的问题就迎刃而解。因此,科学的设问应该是让学生“跳一跳,摘桃子,摘不到桃子,教师竖梯子”,从而不断引导学生深入参与。
3.问题要有层次性
如在探究了环境因素影响光合作用强度后,得出结论是光合作用强度是随着光照的增强而增强的,当光照增强到一定程度时光合作用强度不再增强。此时可以进一步设问:为什么光合作用不再继续增强?此时限制光合作用强度的内外因素有哪些?留给学生一些思考的空间,学生通过激烈的讨论最终得出结论:内部因素有叶绿体的结构、色素、酶的数量等;外部因素有CO2浓度、温度等。同样在探究CO2浓度对光合作用强度的影响时,也可以进一步设问,加深知识的联系。通过这样的层层设问,能不断引领学生从一个发展区向另一个发展区进步。
四、让学生多活动.拓宽主体参与的方式
陶行知先生曾倡导,教育要培养能动手、动脑的人,指出“在劳力上劳心,是一切发明之母,事事在劳力上劳心,可得事事之真理,人人在劳力上劳心,便无废人”。说的就是让学生活动的重要性。
教学准备是关键
1.了解学生。首先,为了很好地选择和实施课堂教学方法,要了解学生的生活环境、心理状况,以及学生熟悉的生物环境。其次,要备学生知道的生物基础知识。
2.运用科学的教学方法激发学生学习生物的兴趣。学生对生物的学习,很大程度上,跟教师有关系,一个幽默风趣的教师,可以唤起学生的学习兴趣,也会激发学生学习的欲望。所以,在课堂上,要对学生进行引导,让他们根据教师提出的问题,去思考,调动学生的学习主动性,不断提高对生物的学习乐趣。
3.生物课堂要贴近学生生活。我们在讲课本内容时,把与现实生活结合起来。教师可以通过多媒体展示与生活相关的图片,让学生通过这些图片,进行思考,联系生物知识,解释出现的现象,学以致用。学生的学习兴趣得到激发。让学生在课堂中做自己的主人,学生自行安排自己的时间,发挥主观能动性。
4.生物课堂多样化。根据生物学科本身的特点,它是和人们的生产、生活、实践联系比较紧密的学科。因此,我们组织学生去野外观察、学习来促进生物课堂教学的成功。
二、发散思维在生物教学中的运用
光合作用由于学生具有好奇心和求知的欲望,这就促进学习、思考。根据这一特点,我们生物教师可以充分利用教学资源,即地图,包括地图册、生物挂图、生物插图等,还可以用幻灯片、电视、录相、多媒体等多种形式。下面我们以光合作用这一节课进行具体的分析。植物有一项很重要的功能,即光合作用。对于这个概念的理解,教师要进行讲解,让学生明白,人有没有光合作用,光合作用是植物在白天进行的一种能量转化,即二氧化碳和水在光照的条件下,在叶绿体中进行反应,最后生成氧气和有机物的过程。这一过程中,光合作用产生了氧气,可以供给人和动物的呼吸,教师引导学生思考,晚上能不能把很多植物房子屋子里面呢?学生通过思考,晚上植物没有光合作用,主要是呼吸作用,那么呼吸作用就要吸收氧气,与人争夺氧气。所以,在晚上,最好将植物放在室外。而光合作用的一组探索性实验能否成功,则是教学中突出重点和突破难点的关键。
(一)先学后教的方法
教师在讲这一节的内容时候,可以让学生以小组为单位,进行资料的搜集、整理,等上课的时候,让中学生以小组的形式,进行代表发言,将你们搜集到的知识讲给其他同学听,其他组内针对这一组同学的汇报,提出自己的质疑,教师写到黑板上,分条进行解释。最后利用多媒体展示光合作用的发现过程。这样,可以让学生在主动探究过程中,体会最后获得真理的感动。通过多媒体动画,教师展示“光合作用需要二氧化碳”和“光合作用产生氧气”两个演示实验,让学生更加深刻的明白了原理。同时,让学生分组进行有关光合作用的一组探索性实验,学生通过自己做实验,更加明白了实验的重要性,通过实验,可以得出真理性的知识结论,从而学会了光合作用这节课的主要内容。然后,教师在通过一些相关的练习题,将学会这部分内容。总之,通过学生自己做实验去探究,这样对光合作用的概念有了更深刻的理解,同时培养了他们认识问题,主动探究的能力,还有对创新能力的思维的培养也起到了很重要的作用,启发学生运用知识来说明或解决实际问题,在分析和说明问题过程中领悟光合作用在生物界乃至整个自然界中的重要意义。不断提高学生的自身的各方面的能力,更好地为学习新的内容做好铺垫。
(二)学生逆向思维能力的训练
1.通过例题示范,克服思维定势。在做练习题的过程中,教师要给学生举一些与生活相关的实际事情,这样,学生在面对自己在日常生活中就能遇到的事情时,就会觉得很熟悉,理解起来也很容易,从而打开学生逆向思维的能力,引导他们对问题的思考方式的转变,防止固定在一种思维上去思考问题,这样就造成了思维定势了。
2.活跃逆向思维的思路,一题多变。对一些习题,改变某些条件,或把原因和结果对调,以及把知道的和不知的对调,来训练学生的逆向思维。这样做,可以活跃学生逆向思维的训。