A.A. Пантявин, гимназия No 1, г. Воронеж
Со времени создания нашей биолого-химической гимназии в 1990 г. педагоги кафедры биологии работают над проблемой экологизации учебных программ.
Обучение по таким программам должно способствовать формированию личности, способной принимать экологически грамотные решения в области будущей профессиональной деятельности.
С этой целью применяются такие формы обучения, как проблемная лекция, семинар-дискуссия, практические занятия по моделированию, а также разнообразные формы лабораторных работ учащихся. Цикл занятий по теме «Фотосинтез» включал проблемную лекцию «Экология фотосинтеза», семинар-дискуссию «Фотосинтез», а также лабораторную работу, во время которой учащиеся определяли изменения морфологии листьев хвойных деревьев и содержания в них хлорофилла при воздействии токсикантов.
Цель занятия: формирование представлений о факторах среды, влияющих на процесс фотосинтеза.
Оборудование и материалы: книжка-раскладка «История фотосинтеза», таблица «Опыты Дж.Пристли», инструктивные и дидактические карточки, водное растение (элодея или роголистник), NаНСО3 или (NН4)2СО3, отстоявшаяся водопроводная вода, стеклянная палочка, нитки, ножницы, электролампы мощностью 60 и 250 Вт, часы, термометры, набор светофильтров, семь высоких широкогорлых банок, штативы с пробирками, термостат марки ТГУ 01-200.
ХОД ЗАНЯТИЯ
Занятие строится как бинарный урок, на котором проблемная лекция предшествует выполнению учащимися практических работ по группам.
В начале урока учитель объявляет цель занятия. Материал излагается в форме лекции, которая знакомит учащихся с историей открытия фотосинтеза и развитием учения об этом процессе на протяжении двух столетий. Отдельной задачей в теории фотосинтеза всегда было изучение влияния внешних факторов на скорость и эффективность этого процесса.
Лекция предусматривает элементы дискуссии.
Краткое изложение лекционного материала
Учитель излагает результаты опыта бельгийского естествоиспытателя ван Гельмонта (1580–1644), проведенного в начале XVII в. (работы ван Гельмонта были опубликованы лишь в 1648 г.). Ученый выращивал иву определенного веса в горшке с определенным количеством почвы при регулярном поливе растения дождевой водой. За пять лет масса растения увеличилась на 76, 7 кг, а масса почвы уменьшилась всего на 60 г.
Учитель обращается к ученикам с вопросом.
– Как вы думаете, какой вывод на основании проведенного опыта сделал ван Гельмонт?
Учащиеся делают предположение, что масса дерева увеличилась за счет воды, использованной для полива.
На доске записывают первое исходное вещество – H2O.
Затем преподаватель знакомит учащихся с опытами Джозефа Пристли (1733–1804), о котором гимназисты знают из курса неорганической химии как об одном из первооткрывателей кислорода. Свой рассказ учитель заканчивает вопросом.
– К какому выводу пришел Дж.Пристли, проведя этот эксперимент?
Учащиеся, как и ученый, предполагают, что растения выделяют кислород, делая воздух пригодным для дыхания.
Позже голландский врач Ян Ингенхауз (1730–1799) обнаружил, что растения выделяют кислород лишь на солнечном свету и только зелеными частями.
На доске появляется запись:
H2O + солнечный свет + зеленая часть растений - --> O2.
В 1782 г. швейцарский физиолог растений Жан Сенебье (1742–1809) экспериментально доказал участие в процессе фотосинтеза углекислоты воздуха, которая служит растениям «пищей». Вскоре после этого другой швейцарский исследователь, Никола Теодор де Соссюр (1767–1845), экспериментально доказал, что синтез органических соединений растениями обеспечивается питанием углекислотой (СO2) и H2O.
Эти открытия выдающихся ученых обобщаются учащимися в виде схемы на доске:
H2O + CO2 + солнечный свет + зеленая часть растений - --> O2 + органические вещества.
Раскрывая связь физиологического процесса с его физической основой, учитель обращает внимание учащихся на сделанное немецким врачом Р.Майером (1814–1878) в 1845 г. открытие, что зеленые растения преобразуют солнечную энергию в химическую энергию синтезируемых органических соединений согласно закону сохранения и превращения энергии.
Таким образом, уже к середине прошлого века о фотосинтезе сложились представления, которые можно выразить уравнением:
H2O + CO2 + солнечный свет + зеленая часть растений - --> O2 + органические вещества + химическая энергия.
Дальнейшие открытия связаны с именами французского физиолога растений Жана Батиста Буссенго (1802–1887), который точно измерил отношение поглощаемого при фотосинтезе углекислого газа к количеству выделяемого кислорода (1:1), и немецкого ботаника Юлиуса Сакса, продемонстрировавшего в 1864 г. образование зерен крахмала при фотосинтезе.
Учитель вновь обращается с вопросом к учащимся.
– Как вы думаете, каким образом Сакс показал, что органическим веществом, запасаемым зеленым растением при фотосинтезе, является крахмал?
Ученики, проводившие качественную реакцию на крахмал, отвечают на этот вопрос и уточняют, что с тех пор эта реакция называется пробой Сакса.
Таким образом, уже к началу XX в. были известны все компоненты фотосинтеза, как исходные, так и конечные:
Н2О + (СО2)n + солнечный свет + зеленая часть растений - --> (О2)n + крахмал + химическая энергия.
Итоговым результатом диалога учителя с учащимися является таблица «История фотосинтеза»
История фотосинтеза до XX в.
| Дата | Ученый | Вклад в науку |
| 1600 | Бельгийский естествоиспытатель ван Гельмонт | Поставил первый физиологический эксперимент, связанный с изучением питания растений |
| 1771 | Английский химик Джозеф Пристли | Пришел к выводу о том, что зеленые растения способны осуществлять реакции, противоположные тем дыхательным процессам, которые были обнаружены в тканях животных |
| 1779 | Голландский врач Ян Ингенхауз | Обнаружил, что растения выделяют кислород лишь на солнечном свету и что только их зеленые части обеспечивают выделение кислорода |
| 1782 | Швейцарский физиолог растений Жан Сенебье | Экспериментально доказал, что все соединения углерода в растениях образуются из углекислого газа, который под влиянием света разлагается в зеленых органах растений с выделением кислорода |
| 1804 | Швейцарский агрохимик и физиолог растений де Соссюр | Пришел к выводу, что вода также потребляется растением при ассимиляции двуокиси углерода |
| 1845 | Немецкий физик и физиолог Роберт Майер | Показал, что открытый им закон сохранения энергии справедлив для явлений живой природы |
| 1864 | Французский физиолог растений Жан Буссенго | Установил соотношение объемов превращающегося в органические соединения СО2 и выделяемого О2 (1:1) |
| 1864 | Немецкий ботаник Юлиус Сакс | Продемонстрировал образование зерен крахмала при фотосинтезе |
После диалога с учащимися учитель задает следующий вопрос.
– Какие факторы должны, судя по уравнению фотосинтеза, влиять на скорость этого процесса?
Учащиеся называют эти факторы (свет, температура, концентрация СО2 в воздухе, влажность и т.д.), а учитель записывает их на доске в порядке поступления предложений. Затем учитель организует с учащимися 40-минутную практическую работу для проверки высказанных ими предположений о влиянии света и температуры на скорость фотосинтеза. Для проведения практической работы класс делится на группы.
Первая группа получает следующую инструктивную карточку.
Экспериментальная работа №1
«Зависимость продуктивности фотосинтеза от интенсивности света»
Цель работы: изучение зависимости продуктивности фотосинтеза от интенсивности света.
Материалы и оборудование: элодея или роголистник; NаНСО3 или (NH4)2CO3; отстоявшаяся водопроводная вода; стеклянная палочка; нитки; ножницы; электролампа мощностью 200 Вт; часы; термометр.
ХОД РАБОТЫ
1. Выберите здоровые побеги элодеи или роголистника длиной около 8 см, интенсивного зеленого цвета с неповрежденной верхушкой, подрежьте их под водой, привяжите ниткой к стеклянной палочке и опустите верхушкой вниз в стакан с водой комнатной температуры (температура воды должна оставаться постоянной).
2. Для опыта взять отстоявшуюся водопроводную воду, обогащенную CO2 путем внесения NаНСО3 или (NН4)2СО3, и выставить стакан с водным растением на яркий свет. Наблюдайте за появлением пузырьков воздуха из среза растения.
3. Когда ток пузырьков станет равномерным, подсчитайте количество пузырьков, выделившихся за 1 мин. Подсчет проведите 3 раза с перерывом в 1 мин, данные запишите в таблицу. Определите средний результат.
Таблица. количество пузырьков О2, выделившихся за 1 мин из водного растения
| № п/п | Интенсивность света | Первое измерение | Второе измерение | Третье измерение | Среднее значение |
4. Затем стакан с растением удалите от света на 50–60 см и повторите действия, указанные в п. 3.
5. Сравните результаты опытов и сделайте письменный вывод о различной интенсивности фотосинтеза на ярком и слабом свету.
В конце работы учащиеся первой группы отвечают на вопрос.
– Почему теневыносливые растения используют свет низкой интенсивности более эффективно, чем светолюбивые растения?
Учащиеся второй группы получают другое задание.
Экспериментальная работа №2
«Зависимость продуктивности фотосинтеза от спектрального состава света»
Цель работы: выяснение зависимости интенсивности фотосинтеза от спектрального состава света.
Материалы и оборудование: элодея или роголистник; набор светофильтров; семь высоких широкогорлых банок; отстоявшаяся водопроводная вода; ножницы; электролампа мощностью 200 Вт; часы; термометр; пробирки.
ХОД РАБОТЫ
1. Наполните пробирку на 2/3 объема отстоявшейся водопроводной водой и поместите в нее водное растение верхушкой вниз. Стебель подрежьте под водой.