教学意图
    初中科学课程的目标是提高每个学生的科学素养，实验则是培养学生科学素养的重要途径和方法，提出合理的假设、科学地设计实验方案又是实验教学的灵魂所在。让学生自行设计实验，有利于他们提高以思维和创新能力为主的综合能力，接受科学方法的训练。经典实验是学生设计实验方案的优秀范例，科学史中的经典实验设计闪耀着科学家的智慧，体现了科学研究方法，可以让学生受到科学思维方法的熏陶和引导，从模仿创新开始，逐步发展到独立的原创创新，能有效地提高学生提出假设、设计实验的能力。
    有关“植物的光合作用”的知识点在初中科学中占相当重要的地位，然而，在教学中，光合作用发现史中精妙绝伦的经典实验却往往被认为只是展示知识的一种形式，它的其他功能却被忽视了。其实，光合作用的发现史不仅展示了知识的发生过程，能帮助学生深刻理解知识、理解科学的本质，还有着更多的教育教学意义：利用科学史的“故事性”，能有效地提高学生的学习兴趣；重温先人勇于探索的过程，能有助于培养学生实事求是的科学态度和坚忍不拔的科学精神；更为有效的是，学生可以从光合作用经典实验中学习到科学家设计实验的智慧，这也是本节课的重中之重。
学情分析
    一、学生起点能力
    在小学阶段已知道植物能进行光合作用，对光合作用的原料、产物、场所、动力等也有所了解；已经历过科学探究的一般过程；隐性或显性地接触过建立假设等研究方法；隐性或显性地进行过合作交流。
    二、学习目标分析
    本节课以光合作用发现史中的经典实验为载体，旨在引导学生通过对经典实验的分析，建立光合作用的模型，掌握设计实验的规则，进而能创造性地设计实验进行科学探究，领悟科学精神，提高科学素养。其中，根据J.R.Anderson的AcT理论，有关光合作用的知识属于陈述性知识，设计实验的规则属于程序性知识。

    教学目标
    一、知识和技能
    通过研究经典实验大致认识人类探索光合作用的历程；了解经典实验的方法及结论；能说出光合作用的原料、产物、场所、动力等。
    二、过程和方法
    体验前人设计实验的技能和思维方式；经历科学探究的一般过程：提出问题→建立假设→实验探究→收集和处理事实→得出结论；初步学会合作交流、建立模型、提出假设、控制实验条件、设置对照实验等方法。
    三、态度、情感和价值观
    领悟“科学知识真实可信，但它不是绝对真理”；激发科学兴趣，感受实事求是的科学态度、坚忍不拔的意志品质；树立“怀疑、创新、进取”的科学精神。
    教学准备
    一、实验器材
    烧杯、金鱼藻等水草、玻璃棒、水、不同瓦数的电灯泡等。
    二、多媒体课件及相关设备
    用于设置真实的问题情景、展示经典实验过程的多媒体课件；多媒体计算机、视频展示台等设备。
    教学过程
    一、回顾原有知识，寻找新知识固定点
    师：“民以食为天”，动物需要以食物来维持生命，一棵小树长成参天大树，其质量增加几百至几千倍，它的食物是什么呢？
    利用多媒体出示一段录像《阳光下的魔术——植物的光合作用》。
    【探究式教学应建立在学生已有的探究能力和认知基础上。这里的提问和录像，意在激活、提升学生的原有知识，帮助学生在自己原有的认知图式上建构新的认知结构。】
    二、设置问题情境，告知学习目标
    师：科学是一门以观察和实验为基础的学科。那么，科学家是怎样设计实验来探索发现光合作用的呢？今天我们要学习、模仿科学家设计实验的方法，争取自己也能创造性地设计实验，探究光合作用的奥秘。
    【良好的开端是成功的一半，设置疑难问题引入课题，激发学生的认知冲突，使学生的精神保持亢奋状态，为课堂学习提供良好的心理氛围；通过告知学习目标，让学生意识到学习活动的意义指向，使学习的目标成为一种有力的探究动机。】
    三、呈现学习材料，小组合作探究
利用多媒体图文结合逐个展示有关经典实验，引导学生围绕引导性问题进行合作探究（部分探究内容见表1），并将探究结果填入表2。

    【初中学生有强烈的好奇心和求知欲，但他们往往只满足于新奇的现象，所以要根据教学内容有计划地设计和展示序列化、分层次的学习目标——引导性问题，为学生探究学习提供“支架”，引导他们定向探究，持久地进行思维活动。
    学生在序列化问题的引导下探究分析经典实验，从而“发现”光合作用的原料、产物、场所、动力等知识，这是主动积极、产生式的建构过程，有利于使知识转化为个体内在的认知结构，促进学生对知识的理解和提取；通过系列经典实验的展示和分析，让学生感悟到科学是发展变化的探究过程，不是绝对的真理。
    为了让学生习得关于实验设计能力的程序性知识，采用了如下的教学：首先，学生在教师提供的经典实验和有关问题引导下，经过讨论和反馈，逐个“发现”实验设计规则——设置对照实验、排除干扰、控制单一变量、恰当地选择实验材料、显性化实验现象（如，运用老鼠和蜡烛创造条件，使在自然环境中无法观察到的空气成分变化间接地表现出来）等。这是奥苏伯尔同化论中的上位学习的一种形式——从例子到规则的学习，简称例—规法。这是为了使学生的认识从直观到概括、从个别到一般。然后，引导学生将实验设计规则迁移到新的实验情景中去，经过在变化情境中的练习，促进学生对规则的理解和掌握，逐步使各条规则由陈述性知识转化为程序性形式，使相应的规则向办事的技能转化。】
    四、归纳习得知识，建立知识模型
    师：几代科学家历经200多年，才基本弄清植物光合作用的过程。（利用多媒体展示一植物整体图）请你们归纳以上每个实验的结论，在图中用文字或符号表示出光合作用的原料、产物、场所、动力等。
    学生回答结果如图1。

    【学生获得知识的标志是大脑中储存和建立了很多准确而又彼此联系的信息网络。本教学环节把光合作用的场所、条件、产物、原料等分散的知识整合成一个整体并表示出它们的关系，还应用表象策略，把言语信息集合到学生熟悉的植物图片模型上，让学生通过双重编码形成模型，将新接受的信息与大脑中原有的信息紧密联系，建构成新的认知体系，促进知识的理解、记忆和提取。】
    五、综合应用规则，设计实验方案
    师：在20世纪，至少有6次有关光合作用的研究成果荣获诺贝尔奖。探索并没有结束，希望你也能参加到科学研究中来！现在请同学们运用实验设计规则，探究一个真实问题：
    小明妈妈从水族馆买回来几棵水草，让小明放在水族箱内，说这样水中会有较多的氧气让鱼儿呼吸。爱动脑筋的小明想让这几棵水草释放出更多的氧气。你能想办法让水草释放出更多的氧气吗？你可以设计实验来证明你的想法吗？请你用图片或文字来表达自己的实验设计。
    用多媒体图文结合展示这个应用性问题后，将实验装置（如图2）放在视频展示台上展示，引导学生观察植物“冒气泡”。然后，学生分小组讨论实验设计方案，各组用视频展示台展示自己的实验设计方案，和全班同学辩论、交流。

    【学生掌握智慧技能的行为指标是看他们能否在实际情境中应用规则做事，而不是能否陈述规则。所以，需要引导学生将实验设计规则独立地应用于解决新问题，促使智慧技能达到自动化。这个探究活动要求学生进行综合、归纳、创造性的思维活动，这属于信息加工阶段，它有利于启动学生的大脑内化力、培养学生创造能力。例如：有的学生在设计实验时，提出将适量的雪碧倒入水中，以增加水中的二氧化碳，促进水草光合作用；还有的学生提出光的波长也会影响光合作用的效果……学生的思维被激活，创造的火花可见一斑。在选题方面，充分考虑了教学任务的情境性和真实性。“怎样才能增强水草的光合作用”是生活中的实际问题，因而成为开展探究式教学的有效切入点。】
    六、课后继续探究
    师：叶脉是运输水的结构，你能根据这个实验原理，设计实验证明水是光合作用的原料吗？你也可以设计实验探索其他问题。
    【加涅认为学生学习的结果能使其才能发生相对持久的变化，而设计实验方案又是高级的智慧技能，需要组合若干规则解决复杂问题，学生不是一朝一夕就能掌握的，需要多次进行变换情景练习才能逐步达到自动执行的程度。】
    教学反思
    一、探究课要以具体的知识为载体，以真正理解并学以致用为中心目标
    本课是一节探究式教学课。在这节课中，学生以光合作用发现史为探究的载体，以真实的问题情境作为探究的背景，以真正理解实验设计策略并学以致用为中心目标。
    科学探究必须以具体的知识为载体，它不能独立于具体知识之外。本活动以光合作用发现史为知识载体，引导学生沿着光合作用发现的历史线索，从古希腊亚里士多德→1629年海尔蒙特→1771年（光合作用年）普利斯特利→1779年英格豪斯→1864年萨克斯→1880年恩吉尔曼……通过分析系列经典实验得出植物光合作用的原料、产物、场所、动力，并用表格一一总结，然后通过归纳，抽象出光合作用模型，从而为学生提出假设和设计实验提供相关的基础知识。
    设计真实的问题情景。探究“怎样才能增强水草的光合作用”这个真实的问题，将科学概念与生活现实相联系，体现“从生活走向科学，从科学走向生活”，使学生对所学知识有亲切感。心理学研究表明，当外部刺激引起主体的情感活动时，就更容易成为注意的中心，有利于培养学生探索的兴趣，从而强化理解和记忆。
    “真正理解并学以致用”是整节课的中心目标。首先，教师介绍体现了理性之美的经典实验，为学生提供典型的榜样和范例，引导学生对实验现象进行科学推理，培养思维的缜密性，并引导学生从经典实验中挖掘、学习科学巨匠独到的科学思想和科学方法；为了有利于学生真正理解实验设计方法，采用“螺旋式教学法”——海尔蒙特实验的排除干扰因素、普利斯特利实验的排除干扰因素和设置对照实验、英格豪斯实验的控制单一变量和设置对照实验、恩吉尔曼实验的巧妙选材以及创造条件显性化实验现象等，使学生在课堂中多次接触具有启发性的实验设计方法。然后，通过开放的发散思维建立假设，综合所学的知识和技能当堂模仿设计并实践探究实验，有助于学生“学以致用”。
    二、现代教学手段有效地辅助探究活动
    教学媒体是学生进行发现、探究、接受新信息并最终掌握知识、形成能力的工具，是学生学习的帮手。《阳光下的魔术——植物的光合作用》具体形象地再现了植物生长与光合作用的关系，帮助学生拓展认知空间、加强直观感知，激发了学生的极大兴趣；多媒体课件集声音、图象、文字等多种信息于一体，展示了光合作用的发现历史，把科学家的经典实验形象直观地展现在学生眼前，再现实验过程和实验现象，增加课堂的容量，帮助学生充分感知知识、理解知识；“怎样才能增强水草的光合作用”的探究实验中植物冒气泡可视性较差，通过视频展示台放大后，大大提高了实验的可视性；视频展示台还为学生之间交流实验设计方案提供了很好的展示和交流的平台，提供师生交互学习的环境。总之，多种媒体优化组合后直接介入教学活动过程，与先进的教学设计理念相整合，有效地促进了学生的学习，实现了教学手段多样化、教学方法艺术化、教学效果最优化的高度统一。
    * 由本文作者执教的中学科学探索课“研究光合作用的发现过程”已被收入浙江省特级教师课堂教学实录《名师风采》光盘。