逍遥学能 2014-07-13 10:16
摘 要 课程标准、教材及考试大纲都已将模型知识及建模方法作为新课程的基本内容和能力考核的目标要求之一。生物教材也对运用模型方法教学内容和途径进行了渗透，但涉及“光合-呼吸”的建模教学较少呈现。本文试以“光合作用与细胞呼吸的关系”复习课为例，从构建概念模型、物理模型和数学模型三个方面，探讨了模型方法在教学中的具体应用及课后反思。实践表明：模型构建对学生宏观把握知识，发展思维能力，透过现象抓住本质具有积极的意义。
关键词 生物学 模型 教学 光合作用 细胞呼吸
开展生物学的备考工作，如何突破束缚学生能力提升的瓶颈，化解教学中的重难点，是提高课堂教学效率的关键。“光合作用与细胞呼吸的关系”一课，作为代谢活动中物质与能量转换的经典案例，是高中生物教学的重点，也是学生复习中的“软肋”。在教学中，笔者通过构建由简单到复杂，由具体到抽象的生物学模型，以合理的问题串为导引，创设认知水平训练的教学情境，在一定程度上促成了学生由感性认识向理性认识的飞跃。
1 基于“光合-呼吸”模型建构的教学策略
1.1 概念模型，将零散的知识系统化
1.1.1 建模——明晰物质与能量的转变关系
新授课时，学生对光合作用和细胞呼吸的基本原理和过程已经掌握，但二者之间的内在联系，实质和意义的理解仍不够透彻，这为构建概念模型创造了条件。首先，教师可以与学生共同回顾教材中细胞呼吸的方式及光合作用的探究历程等相关内容，进而出示P.93中图5-9（有氧呼吸过程图解）和P.103中图5-15（光合作用的过程图解），并引导学生抓住反应物与生成物转变过程的重要特征，并关注物质变化中伴随的能量转换形式，使学生理解两种代谢过程的实质在于物质变化和能量的转变，为模型构建（图1）做好铺垫。
图1 概念模型
1.1.2 设问——强化模型意识，把握知识间的内在联系
教师可以通过CAI课件的形式，将上述模型中的物质和能量变化的模型图解依次呈现出来，或将模型中的部分物质或能量进行局部挖空，让学生选填内容。并结合叶绿体和线粒体的结构，通过设置不同梯度的问题串展开设问，将学生的思维引向深入：⑴与光合作用和细胞呼吸相关的细胞结构有哪些？⑵两个生理过程各分为几个阶段，依次是什么？⑶各个阶段发生场所在哪里？⑷涉及哪些物质的参与？有哪些物质生成？⑸需要哪些条件？二者的影响因素有哪些？等等。经过合作小组讨论后，教师可以呈现如表1的表格，让各小组中的代表归纳作答，经各小组间的质疑，补充完善，最后形成表1中的结论。
表 1
比较项目
细胞结构
发生场所
生理反应
物质和能量的转换过程
光合作用
叶绿体
类囊体薄膜
光反应阶段
光能→电能→活跃的化学能（ATP）
叶绿体基质
暗反应阶段
活跃的化学能→稳定的化学能（有机物）
有氧呼吸
细胞质基质
第Ⅰ阶段
葡萄糖（主要）→丙酮酸+4[H] +少量ATP
线粒体
线粒体基质
第Ⅱ阶段
丙酮酸+水→CO2+20[H] +少量ATP
线粒体内膜
第Ⅲ阶段
24[H]+O2→H2O+大量ATP
1.2 物理模型，将抽象的概念直观化
1.2.1 建模——明晰叶绿体与线粒体的关系
通过概念模型的构建，学生对光合作用和呼吸作用两个生理过程中的物质和能量变化的实质已经掌握，系统性较强，但过程还是较为复杂繁琐的，那么如何使抽象的概念能被直观理解呢？实践表明，通过“线粒体和叶绿体关系”的物理模型的构建可以有效的突破这一难点。分析上述概念模型不难发现，光合作用与细胞呼吸建立的联系主要着眼于物质中的CO2、O2、有机物和H2O。尤其是它们之间的转变过程常常成为高考的热点，因此抓住原型的重要特征进行物理模型的构建是学生理解该问题，并提升能力的关键。所构建的模型如图2所示。
图2 物理模型
1.2.2 设问——揭示生物现象，抓住本质特征
在不同光照条件下，植物的光合作用是不同的，这就意味着CO2和O2的来源与去向会发生微妙的变化，进而影响光合作用强度与呼吸作用强度的大小。建构该模型的意图，重点在于揭示光合作用强度同呼吸作用强度间的关系。因此，PPT展示图2后，教师可由影响光合作用的重要因素——光照条件，作为设问的切入点展开教学。例如，在4种不同光照条件——黑暗时、弱光照、较强光照及强光照时，探讨二氧化碳和氧气的来源与去向如何？光合作用与呼吸作用强度大小怎样？经过合作小组讨论后，教师可以呈现表格，让各小组中的代表归纳作答，经各小组间的质疑，补充完善，最后形成表2中的结论。
表 2
光照条件
生理过程
气体进出图解
生物学含义
黑暗
⑤和⑥
只进行呼吸作用
弱光照
①②⑤⑥
光合速率小于呼吸速率
较强光照
①②
光合速率等于呼吸速率
强光照
①②③④
光合速率大于呼吸速率
1.3 数学模型，将逻辑的思维缜密化
1.3.1 建模——明晰横坐标与纵坐标的含义
用数学坐标曲线方法分析有关光合作用知识，是对学生理性思维的进一步考察。不仅能了解学生对光合作用知识的掌握情况，更能培养学生的提取信息能力、分析能力和解题能力。最为常见的就是光强-光合速率坐标曲线，该模型是对上述概念模型和物理模型的延伸与拓展。教师可以先解释坐标各点及段的生物学意义，然后探讨坐标图中点的移动问题，在分析此模型基础的上可以采取变动横纵坐标的含义的方式，来加深学生对影响光合作用不同因素的认识和理解。明确分析数学模型的着眼点在于清楚自变量与因变量的关系，按照曲线分析三部曲进行解读，即“识标”、“ 明点”和“析线”。所见数学模型如图3所示。
图3 数学模型
1.3.2 设问——全面把握信息，解释数学规律
首先，教师介绍各点段代表的生物学含义：A点光照强度为零，没有光合作用，仅有呼吸作用；AB段，表示光合速率小于呼吸速率；B点为光补偿点，光合速率等于呼吸速率；C点为光饱和点，C点之前，影响光合作用的主要因素是光照强度。BC段，光合速率大于呼吸速率，反映了光合作用中光反应阶段的活性，C点之后反映了光合作用中暗反应阶段的活性。然后进行适当的拓展：如⑴若为缺镁营养液，则引起B点如何移动（答案：右移）？⑵若适当升温，将引起B点和D点分别如何移动（答案：右移 下移）？⑶若植物的类型由阳生改为阴生，则B点和D点分别如何移动（答案：左移下移）？经过小组讨论作答后，教师提醒该数学模型同线粒体和叶绿体关系模型的联系在于几个速率的关系。光合速率常以氧气的吸收量或二氧化碳的释放量或有机物的生产量表示。以二氧化碳表示为：CO2的吸收量表示总（实际）光合速率，CO2的释放量表示呼吸速率。总光合速率与呼吸速率的关系可表示为：总（实际）光合速率=净（表观）光合速率+呼吸速率。这个关系式有三个衍生式：⑴光合作用实际产生的O2量=净释放的O2量+呼吸作用消耗的O2量；⑵光合作用实际消耗的CO2量=净消耗的CO2量+呼吸作用产生的CO2量；⑶光合作用合成的C6H12O6量=积累的C6H12O6量+呼吸作用分解的C6H12O6量。
2 创设认知情境，有效达成模型的综合分析能力
教师可以在学生完成模型构建任务后，创设一个综合运用模型进行分析解决实际问题的情景，通过层层设疑，步步深入的问题，以达成本课题的教学目标，加深对知识的理解，提升学生对知识的灵活迁移运用和应变能力。
情景创设：取一植物形态、大小、生长发育状况相同的四张叶片按如图所示的装置进行实验，烧杯中的液体可以保证叶片所需的水与矿质元素的正常供应，气体的移动可以通过观察油滴的运动判断。(不考虑气体在水中的溶解与外界气压的变化和蒸腾作用的影响)
（1）适宜的光照下，装置A中油滴的移动情况是________，原因是_______________________________________________________________________。
（2）适宜的光照下短时间内装置B中油滴的移动情况是________。放置一段时间后，装置中的O2消耗完，这时油滴的移动情况是________，写出此时的反应方程式：________________。
（3）分析装置C中的油滴移动情况与光合作用和呼吸作用的关系：________________________________________________________________________
________________。
（4）能否直接用C、D装置证明光合作用需要CO2，为什么？________________。如果用B、C装置证明光合作用需要CO2，应该将叶片进行怎样的处理？________________。
（5）要测定叶片细胞呼吸的强度最好选择装置________。
（6）假设装置A和B处于暗处进行实验 ①当油滴a 当油滴b 时，说明酵母菌只进行有氧呼吸； ②当油滴a 当油滴b 时，说明酵母菌只进行无氧呼吸； ③当油滴a 当油滴b 时，说明酵母菌既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸。
答案：(1)不移动 光合作用吸收的CO2体积等于释放出的O2体积，呼吸作用吸收的O2体积等于释放出的CO2的体积 (2)向左移动 不移动 C6H12O6 2C2H5OH(酒精)＋2CO2＋能量 (3)①当光合作用强度大于呼吸作用强度时，向右移动；②当光合作用强度等于呼吸作用强度时，不移动；③当光合作用强度小于呼吸作用强度时；向左移动(因为CO2缓冲液在CO2浓度低时可以释放出CO2，而在浓度高时要吸收CO2，从而保证装置内CO2浓度的稳定) (4)不能 不符合单一变量原则 饥饿处理 (5)D (6)①左移 不动 ②不动 右移 ③左移 右移。
3 关于生物建模教学的几点反思
本课题尝试运用模型建构的思想，对“光合-呼吸的关系”这一教学难点进行了针对性突破。
首先，教学设计由现象入手引导学生构建概念模型以深入理解“光合-呼吸”的本质，为避免思维陷入复杂的物质与能量的转换关系之中，进而设计构建了物理模型让学生从整体上认识和把握其实质，已达到“既见树木，又见森林”之效。当学生渐渐由感性思维向理性思维过度时，教师抓住这一契机进行数学模型的构建，最终达成对核心概念的认识由具体到抽象的飞跃。从有意义学习的角度看，既避免复习中旧知识重现时的“炒冷饭”现象，又促成了学生对基础知识和基本方法的掌握，进而培养了学生的创新能力、实践能力和解决问题的能力。
其次，从建构主义学习视角看，通过设置特定的情景，学生沿着“知识-方法-能力”的主线，自主的去编码和构建知识网络，补充并完善了自身的知识体系，纠正了对知识的肤浅理解和错误认识。较为深刻地理解了科学、技术和社会的相互关系。例如设问新疆哈密瓜为什么比其他地区出产的甜等生活实例，帮助学生理解适当增大昼夜温差可以促进作物的增产。再如若想使其他地区的哈密瓜更甜理论上你可以采取哪些措施等，进一步加深学生对知识同生产实际相联系的重要意义，提高学生的生物学科素养，促进学生认知水平的发展。
再次，模型的建立过程就是一个科学探究的过程。学生应主动的去体验和感受模型的内在要素有哪些，要素间是如何有机地联系在一起的。“光合-呼吸”间的变化遵循着怎样的规律，原理是什么，在实际的生产和生活中用那些应用。让学生感同身受，其实生物中蕴含的规律就在我们身边！同时，生物建模充分调动了学生的积极性，发挥小组的团队合作意识，突出了学生的主体地位。在师生互动，生生互动，师生协作，生生协作中较好的培养了学生的问题意识和探究意识。
诚然，模型的建立不是一蹴而就的，这需要教师在教学中有目的的渗透建模教学思维，挖掘高中生物课程中潜在的“模型”资源，为模型教学搭建一个崭新的平台。
注：文章发表于2011年《中学生物教学》第7期