體驗科學發現歷程構建光合作用概念

2017-10-11 06:52:08趙廣宇汪紹鑫

生物學通報 2017年12期

趙廣宇汪紹鑫徐杰

（成都市石室中學四川成都 610041）

1 設計思想

魯賓斯坦說過：“任何思維，不論它是多么抽象多么理論的，都是從分析經驗性材料開始，而不可能是從其他任何東西開始。”概念是由眾多事實經歸納推理分析得出的，因此，概念教學離不開事實，眾多事實的支撐方可得出概念。所以，概念教學也應建立在事實感知的基礎上。“光合作用”是高中生物學中最重要的概念，在教學中如何引導學生建立此概念？

本節教學過程采取教師引導下的學生自主探究式學習。在學生已有的初中知識的基礎上，以科學家研究光合作用的經典實驗為主線，通過不斷提出探究課題創設探究光合作用規律的情境，在分析實驗結果的基礎上，歸納得出光合作用的原料、產物、條件、場所等結論，進而構建光合作用的概念，歸納光合作用的總反應式，并進一步引申出光合作用的意義。如此，學生在了解生物學事實的前提下，通過分析、歸納、推理等思維活動，自主構建光合作用過程的概念體系；并在學習知識的同時，學習探索生命科學的基本方法，體驗科學的設計思想，感悟科學的思維方法，發展科學探究的能力，養成思考、實踐和創新的學習習慣，提高自身的生物科學素養。

2 教學目標

1）知識目標：概述光反應和暗反應的過程；闡明光反應和暗反應之間的關系。

2）能力目標：通過資料分析得出相應結論，并作出合理推斷；嘗試構建“光合作用的過程”的概念模型。

3）情感態度與價值觀目標：從物質與能量轉化的角度認識生命活動，形成結構與功能相適應的觀點。

3 教學重、難點

1）重點：光反應和暗反應的生理過程及二者的聯系。

2）難點：光合作用的過程及其模型構建。

4 教學過程

4.1 應用已有概念，提出探究課題教師要求學生根據初中學過的光合作用知識，回答光合作用的概念，以及光合作用的原料、產物、條件和場所。學生能正確答出光合作用的原料、產物、條件和場所，但不能準確表述光合作用的概念。

在此基礎上，教師設置問題串進行追問：光合作用過程中的物質變化、能量變化是什么？學生通過合作，回憶得出：CO2和H2O等無機物轉變成淀粉等有機物；光能轉化為有機物中的能量。

教師設問：植物在葉綠體中是如何實現上述變化的？學生無法回答，教師指出：這就是本節的學習課題——探究光合作用的過程，揭示光合作用的機理。

4.2 體驗科學發現歷程，探秘光合作用過程教師將教材中的光合作用發現史料與其他資料相整合，按照知識的邏輯順序，逐步呈現，引導學生進行分析，得出相關結論。

資料 1：1937 年，英國植物學家希爾（R.Hill）做了這樣一個實驗：從綠色植物的葉肉細胞中分離出葉綠體制成懸浮液，發現在適宜的條件下給分離出的葉綠體溶液以光照，離體的葉綠體在沒有CO2存在的條件下，放出了唯一的氣體——O2[1］。

資料2：魯賓和卡門實驗（教材內容）。

學生經分析、討論得出：光合作用釋放的O2來自于H2O，可不需要CO2參與；反應條件包括光照和葉綠體。同時，也產生疑惑：H2O生成O2后，其中的氫元素去哪里了？

資料3：科學家希爾（R.Hill）又做了一個實驗（圖1）：在光下，若給綠色植物的離體葉綠體提供特定的與氫離子結合的H+受體（例如2，6-D，一種氧化性的藍色染料，H+受體接受H＋后能被還原成無色）。實驗除了產生O2外，A試管變為淡綠色（葉綠體本身的顏色），B 為墨綠色[1］。

圖1 希爾實驗探究氫元素的存在形式

學生解釋實驗現象：A試管產生了H+并與2，6-D結合，使2，6-D還原成無色物質。B試管缺乏光照，不能產生H+，氧化性2，6-D的藍色與葉綠體的綠色合在一起，呈現墨綠色。結論：在光照條件下，H2O生成了O2和H+。同時，學生提出疑問：生成的O2供有氧呼吸使用或釋放到環境中，H+的去向或存在狀態是什么？

資料 4：1954年,美國科學家阿爾農（D.I.）用離體的葉綠體做實驗，同樣無CO2，在給分離的葉綠體以光照時，當向反應體系中供給ADP、Pi和NADP＋（輔酶Ⅱ）時，發現除生成 O2外，會有 ATP和[H］產生[2］。

同時教師指導學生閱讀教材第103頁的相關信息，了解輔酶Ⅱ與還原型輔酶Ⅱ的知識[3］，掌握[H］的含義，然后分析資料。

學生分析得出：H2O分解生成的H+與輔酶Ⅱ（NADP+）反應生成還原型輔酶Ⅱ（NADPH），同時生成ATP。

針對學生在結論中只描述物質變化的問題，教師提示學生：ATP的生成意味什么？學生思考后得出：反應過程中發生了能量轉換，光能轉化為ATP中活躍的化學能。教師進一步說明：色素捕獲的光能一部分用于H2O的光解，還有一部分用于ATP的合成。

此時，學生迫切想知道：反應物中的CO2與生成物中有機物之間有什么關系？教師呈現資料5。

資料5：美國科學家卡爾文以小球藻為實驗材料，采用放射性同位素標記的14CO2作為光合作用的原料，每隔一段時間取樣并使用放射自顯影技術追蹤被14CO2標記的產物，結果發現：短時間0.5 s的時候，14C標記物首先集中出現在PGA（一種三碳化合物）中，5 s的時候，14C標記物則集中出現在葡萄糖和RUBP（一種五碳化合物）中。當卡爾文突然降低14CO2的供給時，發現RUBP（一種五碳化合物）會積累[4］（圖 2）。

圖2 突然降低CO2供應，RUBP和PGA的變化

教師要求學生閱讀資料，并提出問題：①CO2轉化為生成物中的有機物大致經歷幾個階段？每個階段發生了什么變化？②為什么突然降低14CO2的供給時，發現RUBP（一種五碳化合物）會積累？③推測CO2是與何種物質結合形成PGA（一種三碳化合物）的？

經閱讀資料、思考討論后，學生大多數都能得出CO2轉化為生成物中的有機物需經歷2個步驟及具體變化。對于問題②、③，學生感到無從下手，教師引導學生使用“代入法”——CO2是與RUBP結合形成PGA的，并通過實驗數據驗證這種推測是合理的。教師解釋：細胞內，在CO2濃度相對穩定的時期，RUBP和GPA處于一種動態平衡，當突然降低CO2濃度時，產物GPA隨之降低，與CO2結合的RUBP數量減少，RUBP在細胞內積累，最后二者又達到一種動態平衡。

至此，學生通過對科學史的分析，基本厘清了光合作用過程中反應物與生成物之間的關系，對光合作用過程有了初步認知。

4.3 領悟光合作用機理，自主構建概念模型教師引導學生在分析資料的基礎上，對光合作用過程發生的物質變化和能量變化進行歸納、總結。

教師首先提出：光合作用過程中，在光下發生了哪些反應?該過程進行的場所、條件、反應物和生成物是什么？學生總結得出：發生了H2O的分解和ATP的形成；條件——光照、酶、色素；反應物——H2O、ADP、Pi和NADP＋；生成物——O2、ATP和[H］；場所——葉綠體類囊體薄膜。教師指出：由于該過程必須有光的參與，因此稱為 “光反應”，并進一步要求學生嘗試用概念圖表示光反應的過程，完成后學生相互評價，修改完善使概念圖更加合理、美觀（圖3）。

圖3 學生初次構建和修改完善的光反應模型

教師根據學生之前得出的C元素的轉移路徑：CO2→C3→C5和（CH2O），指出前一階段稱為 CO2的固定，CO2與五碳化合物結合生成C3；后一階段稱為C3的還原，這些變化可在無光的條件下進行，因此稱為“暗反應”。教師引導學生閱讀教材，思考完成這2個階段需要的條件、場所及物質與能量的變化。學生在分析資料的基礎上能迅速歸納得出發生暗反應的條件——酶、ATP和[H］、CO2；場所——葉綠體基質；物質變化——CO2轉化為有機物；能量變化——ATP中活躍的化學能轉化為有機物中穩定的化學能。此時，教師要求學生構建、評價和修正暗反應的過程模型（圖4）。

圖4 學生初次構建和修改完善的暗反應模型

4.4 闡明知識之間聯系，把握核心概念內涵學生開始構建的概念圖基本上就是2個獨立的過程，這一困惑也一直縈繞在學生的頭腦中：光反應與暗反應之間有什么聯系？教師繼續提供科學史料。

資料 6：阿爾農（D.I.）用離體的葉綠體做實驗，在黑暗條件下中，只要給分離的葉綠體提供ATP和[H］，葉綠體就能將CO2轉化為糖類等有機物，同時 ATP 和[H］含量急劇下降[2］。

學生分析得出：暗反應的進行需要消耗ATP和[H］，而在光合作用過程中，產生ATP和[H］的是光反應，即光反應為暗反應提供了ATP和[H］。

為促進學生理解該過程，教師設置問題情境：如果CO2充足，突然停止光照，預測C3含量、C5含量的變化趨勢是什么，請說明理由。

學生在教師的引導下，逐步從物質的來源和去路2個角度分析：突然停止光照，光反應生成的ATP 和[H］減少，C3的還原（消耗）減少；另一方面CO2充足，C3生成基本不變，故C3含量總體增多，而C5含量減少。最后形成數學模型（圖5）。

圖5 突然降低光照強度，C3和C5的變化

教師繼續設問：如果光照充足，突然增大CO2濃度，O2的釋放強度如何變化？為什么？學生通過類比、討論后分析得出：突然增大CO2濃度，則暗反應為光反應提供了更多的ADP和Pi，使光反應加快，于是H2O的光解加快，O2的釋放強度增大。

最后，利用概念模型（圖6）小結：光合作用的光反應和暗反應雖然過程不同，但通過緊密聯系形成了一個有機整體，即光合作用的過程。

圖6 光合作用的過程模型

5 教學反思

5.1 巧用科學史料，感知生物學事實教師以精心篩選編排的典型科學研究史料為切入點，營造理性思維的氛圍，充分激發學生的探索欲望。同時，創設探究的問題情境，引導學生感知科學史料中的生物學事實，并開展分析、推理等思維活動，學生通過事實提取光合作用的本質變化，自主構建光合作用的相關概念。