多因子变量探究实验的整体设计

                                                              常州市第三中学 皋磊  徐双双

【摘要】2021年江苏省实施新高考方案，新高考中的新题型——表格题。

多因子变量探究类实验的题目在高考题和模考题中均有出现，而且题型多样，学生对于这类题型一直难以把握。此类题型的教学，教师往往就图析图，缺乏实验教学的整体设计。基于此，本文以光与光合作用为依据，阐述多因子变量探究实验的整体设计。

1 背景分析

2021年江苏省实施新高考方案，新方案有诸多方面的调整。本文主要探讨的是新高考中的考试题型的改变。生物实验设计题作为高考经典题型，新高考背景下往往以“表格题”这种新题型形式进行考察。然而从适应性考试及模拟考试中学生的表现不尽如人意。一方面，学生对于这类题型一直难以把握，常常答非所问。另一方面，教师对于实验的教学，往往就题论题就图析图，缺乏实验教学的整体设计，学生无法系统掌握实验过程，只见树木不见森林。表格题蕴含着运用系统思维整体解决问题的思想，

积极引导高中生物教学的变革。

基于以上背景，笔者尝试采用系统思维进行实验教学的整体设计，对教材做出全局研究，用整体视角把握教学内容，从中选取人教版新教材必修一第五章第四节光与光合作用为依据，进行多因子变量探究实验的整体设计。

2 教材分析

光合作用在绿色植物的新陈代谢以及整个生态系统的物质循环和能量流动中，具有十分重要的意义，本节是本章的重点内容之一，也是历年高考的热点。教材这一节主要讲述了光合作用的发现过程、叶绿体和光合作用的过程、光合作用的影响因素、重要意义以及植物栽培与光能的合理利用。“探究环境因素对光合作用影响”是人教版高中生物必修一第五章-探究与实践部分的实验，是培养学生科学思维和提高科学探究能力的良好素材。教材中本实验是采取菠菜植株叶圆片，利用真空渗水法进行实验。由于实验仪器的缺乏、植物材料需求量较大等原因，实验的可行性不高。此外，教材实验环境因素单一实验价值降低，而学生设计多因子变量实验又存在一定难度。纵观以往的教学，多以分析实验数据、设计实验方案为主要抓手，少有动手操作的环节。笔者通过材料创新、改进反应器及实验装置利用18个发生器同时进行多因子变量的实验探究等角度，将教材实验方案改进，实现多因子变量实验的整体设计，效果明显，且操作时间短，有利于在实际教学中操作实施，为教师课堂演示及学生自主探究提供有力支撑。

3 教学过程

教师运用系统思维让学生整体感知植物代谢的过程；再从两个方面展开教学，以一个反应器为例探究光合作用的基本过程，从产物和场所等方面讲述了光合作用发现过程；在此基础上继续探究环境因素对光合作用影响，教师通过改进实验装置利用18个发生器同时进行多因子变量的实验探究，最终构建环境因素对光合作用速率影响的数学模型。

3.1单个反应器——探究光合作用的基本过程  以一个反应器为研究对象，通过控制自变量和无关变量，分组“探究光合作用的产物”和“光合作用的条件”等问题。反应器是由三个组成部分：30ml针筒内置不同浓度的NaHCO3溶液和绿菊花坨草、3ml集气管，中间用1cm PVC软管连接，3ml集气管收集发生器内产生的气体。利用新材料绿菊花坨草取代课本菠菜叶圆片。菠菜叶圆片无法重复使用，容易腐烂；新鲜的绿菊花坨草为水生沉水植物，产氧量大，光合作用现象明显，可重复使用。同时，这一改变实现了由定性实验到定量实验的改进，教材中通过观察针筒叶圆片浮起数目，反映光合作用强弱，为定性实验。本实验用3ml针筒收集相同时间内O2产生的体积，计算光合作用速率，为定量实验。教师再结合教材中科学史的经典实验构建完整的光合作用反应式。

3.2 圆盘反应器——探究环境因素对光合作用的影响

基于上述实验，继续探究：影响光合作用的主要因素有哪些？学生通过前期学习，能够分析出影响光合作用速率的因素可能有光照强度、CO2浓度、温度等等。

教师改进实验装置：用废弃的KT板制作反应装置，分为上聚光板、实验层、下支撑板、光源和支架。上聚光板作用是聚光，减少光的发散；实验层又叫观察层，是观察气泡、收集气体的场所。实验层包含18个针筒组成的反应器。

装置实物图                                 装置俯瞰图

下支撑板                                   实验层（18个反应器）

图1：改进实验装置（组图）

单因子变量——探究CO₂浓度对光合作用速率的影响

按照浓度梯度，配备不同浓度的NaHCO3溶液；在洁净的针筒内加入2根绿菊花坨草；针筒定容至30ml/筒，组装实验装置；记录实验数据并分析，得出结论。

表1：NaHCO₃溶液浓度梯度

图2：不同浓度的NaHCO₃溶液

图3、图4：同一环内的装有不同浓度NaHCO₃溶液发生器

多因子变量——探究光照强度和CO₂浓度对植物光合作用速率的影响

探究不同光照强度、CO₂浓度等环境因素对光合作用的影响。利用装置可以同时探究光照强度和CO₂浓度对光合作用的影响。

图7：多因子探究实验

图8：多因子探究实验的数学模型

3.3多因子变量数据统计

3.4数形转换数据分析

通过教师预实验后发现，在一定浓度范围内，光照强度越大，越有利于绿菊花坨草的光合作用；在相同光照强度下，随着CO₂浓度升高，光合作用强度逐渐增大。

在光照强度较弱时，CO₂浓度先升高再下降，查阅资料可知可能和环境酸碱性有关（绿菊花坨草在碱性较大的环境中不利于生存）。

教师通过改进实验装置，由一个反应器到圆盘反应器，由光合作用过程的探究到影响光合作用环境因素的探究，实现了实验教学的整体设计。通过整体设计的实验教学学生能够系统掌握光合作用的全貌，促进学生运用系统思维整体解决问题，见树木又见森林。系统思维整体解决问题的思想，不仅可以帮助学生养成良好的解题习惯，更重要的是从根本上引导学生自主地认识知识、发现知识、探究知识，并通过自己的思维主动地解决问题。系统思维整体解决问题的思想迁移到对现实生活的分析上，能让学生对现实中所遇到的问题从全局出发，进行理智的分析。