摘 要 課程標(biāo)準(zhǔn)、教材及考試大綱都已將模型知識(shí)及建模方法作為新課程的基本內(nèi)容和能力考核的目標(biāo)要求之一。生物教材也對(duì)運(yùn)用模型方法教學(xué)內(nèi)容和途徑進(jìn)行了滲透，但涉及“光合-呼吸”的建模教學(xué)較少呈現(xiàn)。本文試以“光合作用與細(xì)胞呼吸的關(guān)系”復(fù)習(xí)課為例，從構(gòu)建概念模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型三個(gè)方面，探討了模型方法在教學(xué)中的具體應(yīng)用及課后反思。實(shí)踐表明：模型構(gòu)建對(duì)學(xué)生宏觀把握知識(shí)，發(fā)展思維能力，透過(guò)現(xiàn)象抓住本質(zhì)具有積極的意義。
關(guān)鍵詞 生物學(xué) 模型 教學(xué) 光合作用 細(xì)胞呼吸
開(kāi)展生物學(xué)的備考工作，如何突破束縛學(xué)生能力提升的瓶頸，化解教學(xué)中的重難點(diǎn)，是提高課堂教學(xué)效率的關(guān)鍵。“光合作用與細(xì)胞呼吸的關(guān)系”一課，作為代謝活動(dòng)中物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換的經(jīng)典案例，是高中生物教學(xué)的重點(diǎn)，也是學(xué)生復(fù)習(xí)中的“軟肋”。在教學(xué)中，筆者通過(guò)構(gòu)建由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由具體到抽象的生物學(xué)模型，以合理的問(wèn)題串為導(dǎo)引，創(chuàng)設(shè)認(rèn)知水平訓(xùn)練的教學(xué)情境，在一定程度上促成了學(xué)生由感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)的飛躍。
1 基于“光合-呼吸”模型建構(gòu)的教學(xué)策略
1.1 概念模型，將零散的知識(shí)系統(tǒng)化
1.1.1 建�！魑镔|(zhì)與能量的轉(zhuǎn)變關(guān)系
新授課時(shí)，學(xué)生對(duì)光合作用和細(xì)胞呼吸的基本原理和過(guò)程已經(jīng)掌握，但二者之間的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)質(zhì)和意義的理解仍不夠透徹，這為構(gòu)建概念模型創(chuàng)造了條件。首先，教師可以與學(xué)生共同回顧教材中細(xì)胞呼吸的方式及光合作用的探究歷程等相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)而出示P.93中圖5-9（有氧呼吸過(guò)程圖解）和P.103中圖5-15（光合作用的過(guò)程圖解），并引導(dǎo)學(xué)生抓住反應(yīng)物與生成物轉(zhuǎn)變過(guò)程的重要特征，并關(guān)注物質(zhì)變化中伴隨的能量轉(zhuǎn)換形式，使學(xué)生理解兩種代謝過(guò)程的實(shí)質(zhì)在于物質(zhì)變化和能量的轉(zhuǎn)變，為模型構(gòu)建（圖1）做好鋪墊。
圖1 概念模型
1.1.2 設(shè)問(wèn)——強(qiáng)化模型意識(shí)，把握知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系
教師可以通過(guò)CAI課件的形式，將上述模型中的物質(zhì)和能量變化的模型圖解依次呈現(xiàn)出來(lái)，或?qū)⒛Ｐ椭械牟糠治镔|(zhì)或能量進(jìn)行局部挖空，讓學(xué)生選填內(nèi)容。并結(jié)合葉綠體和線粒體的結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置不同梯度的問(wèn)題串展開(kāi)設(shè)問(wèn)，將學(xué)生的思維引向深入：⑴與光合作用和細(xì)胞呼吸相關(guān)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)有哪些？⑵兩個(gè)生理過(guò)程各分為幾個(gè)階段，依次是什么？⑶各個(gè)階段發(fā)生場(chǎng)所在哪里？⑷涉及哪些物質(zhì)的參與？有哪些物質(zhì)生成？⑸需要哪些條件？二者的影響因素有哪些？等等。經(jīng)過(guò)合作小組討論后，教師可以呈現(xiàn)如表1的表格，讓各小組中的代表歸納作答，經(jīng)各小組間的質(zhì)疑，補(bǔ)充完善，最后形成表1中的結(jié)論。
表 1
比較項(xiàng)目
細(xì)胞結(jié)構(gòu)
發(fā)生場(chǎng)所
生理反應(yīng)
物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程
光合作用
葉綠體
類(lèi)囊體薄膜
光反應(yīng)階段
光能→電能→活躍的化學(xué)能（ATP）
葉綠體基質(zhì)
暗反應(yīng)階段
活躍的化學(xué)能→穩(wěn)定的化學(xué)能（有機(jī)物）
有氧呼吸
細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)
第Ⅰ階段
葡萄糖（主要）→丙酮酸+4[H] +少量ATP
線粒體
線粒體基質(zhì)
第Ⅱ階段
丙酮酸+水→CO2+20[H] +少量ATP
線粒體內(nèi)膜
第Ⅲ階段
24[H]+O2→H2O+大量ATP
1.2 物理模型，將抽象的概念直觀化
1.2.1 建模——明晰葉綠體與線粒體的關(guān)系
通過(guò)概念模型的構(gòu)建，學(xué)生對(duì)光合作用和呼吸作用兩個(gè)生理過(guò)程中的物質(zhì)和能量變化的實(shí)質(zhì)已經(jīng)掌握，系統(tǒng)性較強(qiáng)，但過(guò)程還是較為復(fù)雜繁瑣的，那么如何使抽象的概念能被直觀理解呢？實(shí)踐表明，通過(guò)“線粒體和葉綠體關(guān)系”的物理模型的構(gòu)建可以有效的突破這一難點(diǎn)。分析上述概念模型不難發(fā)現(xiàn)，光合作用與細(xì)胞呼吸建立的聯(lián)系主要著眼于物質(zhì)中的CO2、O2、有機(jī)物和H2O。尤其是它們之間的轉(zhuǎn)變過(guò)程常常成為高考的熱點(diǎn)，因此抓住原型的重要特征進(jìn)行物理模型的構(gòu)建是學(xué)生理解該問(wèn)題，并提升能力的關(guān)鍵。所構(gòu)建的模型如圖2所示。
圖2 物理模型
1.2.2 設(shè)問(wèn)——揭示生物現(xiàn)象，抓住本質(zhì)特征
在不同光照條件下，植物的光合作用是不同的，這就意味著CO2和O2的來(lái)源與去向會(huì)發(fā)生微妙的變化，進(jìn)而影響光合作用強(qiáng)度與呼吸作用強(qiáng)度的大小。建構(gòu)該模型的意圖，重點(diǎn)在于揭示光合作用強(qiáng)度同呼吸作用強(qiáng)度間的關(guān)系。因此，PPT展示圖2后，教師可由影響光合作用的重要因素——光照條件，作為設(shè)問(wèn)的切入點(diǎn)展開(kāi)教學(xué)。例如，在4種不同光照條件——黑暗時(shí)、弱光照、較強(qiáng)光照及強(qiáng)光照時(shí)，探討二氧化碳和氧氣的來(lái)源與去向如何？光合作用與呼吸作用強(qiáng)度大小怎樣？經(jīng)過(guò)合作小組討論后，教師可以呈現(xiàn)表格，讓各小組中的代表歸納作答，經(jīng)各小組間的質(zhì)疑，補(bǔ)充完善，最后形成表2中的結(jié)論。
表 2
光照條件
生理過(guò)程
氣體進(jìn)出圖解
生物學(xué)含義
黑暗
⑤和⑥
只進(jìn)行呼吸作用
弱光照
①②⑤⑥
光合速率小于呼吸速率
較強(qiáng)光照
①②
光合速率等于呼吸速率
強(qiáng)光照
①②③④
光合速率大于呼吸速率
1.3 數(shù)學(xué)模型，將邏輯的思維縝密化
1.3.1 建模——明晰橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的含義
用數(shù)學(xué)坐標(biāo)曲線方法分析有關(guān)光合作用知識(shí)，是對(duì)學(xué)生理性思維的進(jìn)一步考察。不僅能了解學(xué)生對(duì)光合作用知識(shí)的掌握情況，更能培養(yǎng)學(xué)生的提取信息能力、分析能力和解題能力。最為常見(jiàn)的就是光強(qiáng)-光合速率坐標(biāo)曲線，該模型是對(duì)上述概念模型和物理模型的延伸與拓展。教師可以先解釋坐標(biāo)各點(diǎn)及段的生物學(xué)意義，然后探討坐標(biāo)圖中點(diǎn)的移動(dòng)問(wèn)題，在分析此模型基礎(chǔ)的上可以采取變動(dòng)橫縱坐標(biāo)的含義的方式，來(lái)加深學(xué)生對(duì)影響光合作用不同因素的認(rèn)識(shí)和理解。明確分析數(shù)學(xué)模型的著眼點(diǎn)在于清楚自變量與因變量的關(guān)系，按照曲線分析三部曲進(jìn)行解讀，即“識(shí)標(biāo)”、“ 明點(diǎn)”和“析線”。所見(jiàn)數(shù)學(xué)模型如圖3所示。
圖3 數(shù)學(xué)模型
1.3.2 設(shè)問(wèn)——全面把握信息，解釋數(shù)學(xué)規(guī)律
首先，教師介紹各點(diǎn)段代表的生物學(xué)含義：A點(diǎn)光照強(qiáng)度為零，沒(méi)有光合作用，僅有呼吸作用；AB段，表示光合速率小于呼吸速率；B點(diǎn)為光補(bǔ)償點(diǎn)，光合速率等于呼吸速率；C點(diǎn)為光飽和點(diǎn)，C點(diǎn)之前，影響光合作用的主要因素是光照強(qiáng)度。BC段，光合速率大于呼吸速率，反映了光合作用中光反應(yīng)階段的活性，C點(diǎn)之后反映了光合作用中暗反應(yīng)階段的活性。然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣梗喝纰湃魹槿辨V營(yíng)養(yǎng)液，則引起B(yǎng)點(diǎn)如何移動(dòng)（答案：右移）？⑵若適當(dāng)升溫，將引起B(yǎng)點(diǎn)和D點(diǎn)分別如何移動(dòng)（答案：右移 下移）？⑶若植物的類(lèi)型由陽(yáng)生改為陰生，則B點(diǎn)和D點(diǎn)分別如何移動(dòng)（答案：左移下移）？經(jīng)過(guò)小組討論作答后，教師提醒該數(shù)學(xué)模型同線粒體和葉綠體關(guān)系模型的聯(lián)系在于幾個(gè)速率的關(guān)系。光合速率常以氧氣的吸收量或二氧化碳的釋放量或有機(jī)物的生產(chǎn)量表示。以二氧化碳表示為：CO2的吸收量表示總（實(shí)際）光合速率，CO2的釋放量表示呼吸速率�？偣夂纤俾逝c呼吸速率的關(guān)系可表示為：總（實(shí)際）光合速率=凈（表觀）光合速率+呼吸速率。這個(gè)關(guān)系式有三個(gè)衍生式：⑴光合作用實(shí)際產(chǎn)生的O2量=凈釋放的O2量+呼吸作用消耗的O2量；⑵光合作用實(shí)際消耗的CO2量=凈消耗的CO2量+呼吸作用產(chǎn)生的CO2量；⑶光合作用合成的C6H12O6量=積累的C6H12O6量+呼吸作用分解的C6H12O6量。
2 創(chuàng)設(shè)認(rèn)知情境，有效達(dá)成模型的綜合分析能力
教師可以在學(xué)生完成模型構(gòu)建任務(wù)后，創(chuàng)設(shè)一個(gè)綜合運(yùn)用模型進(jìn)行分析解決實(shí)際問(wèn)題的情景，通過(guò)層層設(shè)疑，步步深入的問(wèn)題，以達(dá)成本課題的教學(xué)目標(biāo)，加深對(duì)知識(shí)的理解，提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的靈活遷移運(yùn)用和應(yīng)變能力。
情景創(chuàng)設(shè)：取一植物形態(tài)、大小、生長(zhǎng)發(fā)育狀況相同的四張葉片按如圖所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，燒杯中的液體可以保證葉片所需的水與礦質(zhì)元素的正常供應(yīng)，氣體的移動(dòng)可以通過(guò)觀察油滴的運(yùn)動(dòng)判斷。(不考慮氣體在水中的溶解與外界氣壓的變化和蒸騰作用的影響)
（1）適宜的光照下，裝置A中油滴的移動(dòng)情況是________，原因是_______________________________________________________________________。
（2）適宜的光照下短時(shí)間內(nèi)裝置B中油滴的移動(dòng)情況是________。放置一段時(shí)間后，裝置中的O2消耗完，這時(shí)油滴的移動(dòng)情況是________，寫(xiě)出此時(shí)的反應(yīng)方程式：________________。
（3）分析裝置C中的油滴移動(dòng)情況與光合作用和呼吸作用的關(guān)系：________________________________________________________________________
________________。
（4）能否直接用C、D裝置證明光合作用需要CO2，為什么？________________。如果用B、C裝置證明光合作用需要CO2，應(yīng)該將葉片進(jìn)行怎樣的處理？________________。
（5）要測(cè)定葉片細(xì)胞呼吸的強(qiáng)度最好選擇裝置________。
（6）假設(shè)裝置A和B處于暗處進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ①當(dāng)油滴a 當(dāng)油滴b 時(shí)，說(shuō)明酵母菌只進(jìn)行有氧呼吸； ②當(dāng)油滴a 當(dāng)油滴b 時(shí)，說(shuō)明酵母菌只進(jìn)行無(wú)氧呼吸； ③當(dāng)油滴a 當(dāng)油滴b 時(shí)，說(shuō)明酵母菌既進(jìn)行有氧呼吸又進(jìn)行無(wú)氧呼吸。
答案：(1)不移動(dòng) 光合作用吸收的CO2體積等于釋放出的O2體積，呼吸作用吸收的O2體積等于釋放出的CO2的體積 (2)向左移動(dòng) 不移動(dòng) C6H12O6 2C2H5OH(酒精)＋2CO2＋能量 (3)①當(dāng)光合作用強(qiáng)度大于呼吸作用強(qiáng)度時(shí)，向右移動(dòng)；②當(dāng)光合作用強(qiáng)度等于呼吸作用強(qiáng)度時(shí)，不移動(dòng)；③當(dāng)光合作用強(qiáng)度小于呼吸作用強(qiáng)度時(shí)；向左移動(dòng)(因?yàn)镃O2緩沖液在CO2濃度低時(shí)可以釋放出CO2，而在濃度高時(shí)要吸收CO2，從而保證裝置內(nèi)CO2濃度的穩(wěn)定) (4)不能 不符合單一變量原則 饑餓處理 (5)D (6)①左移 不動(dòng) ②不動(dòng) 右移 ③左移 右移。
3 關(guān)于生物建模教學(xué)的幾點(diǎn)反思
本課題嘗試運(yùn)用模型建構(gòu)的思想，對(duì)“光合-呼吸的關(guān)系”這一教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行了針對(duì)性突破。
首先，教學(xué)設(shè)計(jì)由現(xiàn)象入手引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念模型以深入理解“光合-呼吸”的本質(zhì)，為避免思維陷入復(fù)雜的物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系之中，進(jìn)而設(shè)計(jì)構(gòu)建了物理模型讓學(xué)生從整體上認(rèn)識(shí)和把握其實(shí)質(zhì)，已達(dá)到“既見(jiàn)樹(shù)木，又見(jiàn)森林”之效。當(dāng)學(xué)生漸漸由感性思維向理性思維過(guò)度時(shí)，教師抓住這一契機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，最終達(dá)成對(duì)核心概念的認(rèn)識(shí)由具體到抽象的飛躍。從有意義學(xué)習(xí)的角度看，既避免復(fù)習(xí)中舊知識(shí)重現(xiàn)時(shí)的“炒冷飯”現(xiàn)象，又促成了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法的掌握，進(jìn)而培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力。
其次，從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)視角看，通過(guò)設(shè)置特定的情景，學(xué)生沿著“知識(shí)-方法-能力”的主線，自主的去編碼和構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)充并完善了自身的知識(shí)體系，糾正了對(duì)知識(shí)的膚淺理解和錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。較為深刻地理解了科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的相互關(guān)系。例如設(shè)問(wèn)新疆哈密瓜為什么比其他地區(qū)出產(chǎn)的甜等生活實(shí)例，幫助學(xué)生理解適當(dāng)增大晝夜溫差可以促進(jìn)作物的增產(chǎn)。再如若想使其他地區(qū)的哈密瓜更甜理論上你可以采取哪些措施等，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)知識(shí)同生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系的重要意義，提高學(xué)生的生物學(xué)科素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知水平的發(fā)展。
再次，模型的建立過(guò)程就是一個(gè)科學(xué)探究的過(guò)程。學(xué)生應(yīng)主動(dòng)的去體驗(yàn)和感受模型的內(nèi)在要素有哪些，要素間是如何有機(jī)地聯(lián)系在一起的。“光合-呼吸”間的變化遵循著怎樣的規(guī)律，原理是什么，在實(shí)際的生產(chǎn)和生活中用那些應(yīng)用。讓學(xué)生感同身受，其實(shí)生物中蘊(yùn)含的規(guī)律就在我們身邊！同時(shí)，生物建模充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，發(fā)揮小組的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，突出了學(xué)生的主體地位。在師生互動(dòng)，生生互動(dòng)，師生協(xié)作，生生協(xié)作中較好的培養(yǎng)了學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)和探究意識(shí)。
誠(chéng)然，模型的建立不是一蹴而就的，這需要教師在教學(xué)中有目的的滲透建模教學(xué)思維，挖掘高中生物課程中潛在的“模型”資源，為模型教學(xué)搭建一個(gè)嶄新的平臺(tái)。
注：文章發(fā)表于2011年《中學(xué)生物教學(xué)》第7期
本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://yy-art.cn/gaozhong/151010.html
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