運用模型建構培養學生科學思維核心素養
——以“光合作用和細胞呼吸”復習課為例

（江蘇省奔牛高級中學 江蘇常州 213131）

科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。例如，能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。在高中生物復習教學中，教師引導學生通過模型建構和應用模型來解決問題，可以將復雜的問題簡單化，抽象的問題形象化，有助于提升學生的科學思維。生物學中常見的模型包括物理模型、概念模型、數學模型等。下面以高中生物“光合作用和細胞呼吸”的復習為例，探討模型建構在培養學生科學思維過程中的應用。

1 建構物理模型，找尋光合作用和細胞呼吸的結構基礎

光合作用和細胞呼吸是細胞能量代謝的兩個重要的生理過程，其生命活動的進行離不開一定的物質基礎和結構基礎。在復習光合作用和細胞呼吸時，教師通過設置問題串來引發學生的思考：①光合作用和細胞呼吸分別發生在綠色植物的什么結構中，為什么？②畫出葉綠體和線粒體的結構示意圖，并標出相關色素和酶的分布部位。③為什么線粒體只能是進行有氧呼吸的主要場所？④進行光合作用和有氧呼吸一定要葉綠體和線粒體嗎？

針對問題①，學生回答：葉綠體、細胞質基質和線粒體，因為葉綠體中含有光合作用所需要的色素和酶，細胞質基質和線粒體中含有有氧呼吸所需要的酶。針對問題②，學生在學案上畫出葉綠體和線粒體的相關結構，標出結構名稱（圖1），指出：葉綠體能通過形成類囊體薄膜增大膜的面積，從而可以附著更多的酶和色素，有利于光合作用的進行；線粒體通過內膜向內折疊增大膜的面積，增加了酶的分布面積，有利于細胞呼吸的進行。針對問題③，學生回答：因為把葡萄糖分解為丙酮酸的一系列酶分布在細胞質基質中。通過找尋與光合作用和細胞呼吸相關的的結構，學生體驗了生命觀念中的結構和功能觀（結構與功能相適應）。針對問題④，學生回答：不一定。藍藻沒有葉綠體能進行光合作用，因為有光合作用所需的色素和酶。細菌沒有線粒體，但含有與有氧呼吸有關的酶，也能進行有氧呼吸。

學生在建構物理模型和對模型的分析過程，培養了科學理性的思維習慣，找尋了光合作用和呼吸作用相關的的結構基礎。原核生物中藍藻和細菌雖然沒有葉綠體和線粒體，但也能進行光合作用和呼吸作用，教師以此引導學生分析與結構相關的物質基礎，使學生理解生命現象的本質，發展科學思維素養。

2 建構概念模型，探尋光合作用和細胞呼吸的內在聯系

光合作用和細胞呼吸兩者的區別和聯系是學生理解生物的生長、發育等生命活動能量來源的前提，同時也為學生進一步學習和分析生態系統中的能量流動、物質循環、生態平衡等奠定基礎。

2.1 畫概念圖，建立光合作用和細胞呼吸內在聯系的概念模型

在復習了光合作用和細胞呼吸過程的基礎上，教師引導學生畫出光合作用和細胞呼吸結合在一起的概念結構圖（圖2），分析其發生的物質和能量變化，尋找其內在的聯系。

從光合作用和細胞呼吸的對象和條件看，細胞呼吸是所有活細胞時刻進行的生理活動，而光合作用主要是綠色植物的葉肉細胞，在光照條件下發生的生理活動。教師提出問題：對于葉肉細胞而言，當光合作用和細胞呼吸共同存在時，兩者之間又有什么關系呢？

2.2 畫結構圖建構光合作用和細胞呼吸內在聯系的概念模型

首先，教師提供一個葉肉細胞的模型（圖3），重點突出與光合作用、細胞呼吸有關的兩種細胞器，葉綠體和線粒體。

接著，學生討論，并用單向箭頭表示出葉肉細胞在不同條件下，細胞中O2和CO2的來源和去路（圖4）：

（1）在黑暗條件下，只有細胞呼吸。

（2）有光照條件下，既有光合作用，又有細胞呼吸。

①當光照較弱，光合作用強度<細胞呼吸作用強度時；

②當光合作用強度=細胞呼吸作用強度時；

③當光照較強，光合作用強度>細胞呼吸作用強度時。

3 建構數學模型，追尋光合作用和細胞呼吸的影響因素

植物細胞葉綠體在行使功能時，需要一定的外部條件。例如，光合作用是葉綠體的功能，在黑暗中雖然結構沒發生變化，卻無法進行光合作用，光照是進行光合作用的必要條件。

由此，教師引導學生從反應的條件和反應的原料兩個方面分析影響光合作用的主要的環境因素。

3.1 利用數學公式，分析在細胞水平和個體水平上光對植物凈光合作用速率的影響

3.1.1 細胞水平上建構數學以模型

教師引導學生結合圖4，分析在光合作用強度>細胞呼吸強度時，從而得到光合作用產生的O2=細胞呼吸利用的O2+葉肉細胞釋放到細胞外的O2。

教師提出問題：這一數學模型中，是否適合其他三種情況呢？并引導學生分析以下模型：

①光照強度為0時，光合作用產生的O2為0，細胞呼吸利用的O2=-葉肉細胞釋放到細胞處的O2（負號表示相反，即從細胞外吸收）。細胞呼吸利用的O2=葉肉細胞從細胞外吸收的O2；

②光合作用產生的O2=細胞呼吸利用的O2—葉肉細胞從細胞外吸收的O2。

③光合作用產生的O2=細胞呼吸利用的O2。

3.1.2 個體水平上建構數學模型

生物個體是由大量細胞組成的，在具體研究光合作用和細胞呼吸的時候，不可能直接測定某個細胞的光合作用或細胞呼吸所產生的氧氣、利用的氧氣，而是以生物個體為研究對象來測定的。一般來說，測定的是將某植物置于特定環境中，用單位時間內植物向外界環境中釋放的氧氣或吸收的氧氣量來表示植物光合作用或呼吸作用的速率。

根據以上細胞水平上數學模型的建構，學生經過討論，建構個體水平上的數學模型：

單位時間內植物光合作用產生的O2=單位時間內植物細胞呼吸利用的O2+單位時間內植物釋放到外界環境中的O2。

人們常用測定到的環境中O2的增減來表示光合作用速率，從以上構建的模型可以看出，所測定的光合速率并不是植物真正的光合速率，是表觀光合速率，也叫凈光合速率。而真光合速率=凈光合速率+呼吸作用速率。

另外，凈光合速率還可以用單位時間內植物從外界凈吸收的CO2或單位時間內植物凈積累的有機物的量來表示。

3.1.3 分析模型，深入思考

教師提出問題：當凈光合速率為零時，植物的真光合速率=植物呼吸作用速率。對于葉肉細胞而言，細胞的光合作用速率和呼吸作用速率相等嗎？

學生通過積極思考和討論發現，由于植物個體的所有活細胞都能進行細胞呼吸，而進行光合作用的只有部分細胞。當個體的光合作用和呼吸作用相等時，對于葉肉細胞而言，光合作用強度一定是大于細胞呼吸作用強度的。

學生在細胞水平和個體水平上建構數學模型。教師利用問題引導學生的思考，有助于學生理清知識的內在聯系，進一步理解生物學的本質問題。

3.2 利用曲線，分析光照強度、溫度、CO2濃度等對凈光合作用速率的影響

教師展示資料：植物生理學家對光合作用進行了大量的研究，圖5中的各圖分別表示幾個環境因素對小麥光合作用速率的影響，除各圖中所示因素外，其他因素均控制在適宜范圍。并提出問題，引導學生思考：

①從圖中資料顯示，影響光合作用的環境因素有哪些？②圖5A中的Ⅰ曲線代表了什么含義？③從圖5B可知，當光照強度為Q點時，影響光合作用速率的因素主要是什么？此時主要影響了光合作用的什么階段，為什么？④A、B兩圖在光照強度為P點時，要想提高光合作用的產量，分別采取什么措施？⑤作為限制光合作用速率的環境因素，還應有哪些？

各種模型具有各自的優點，其中物理模型能把微觀抽象的生物結構進行放大和具體，便于學生把握生物結構的特征和位置。概念模型能將繁瑣、零碎的生物學概念進行整合歸類，便于學生理清概念間的關系，整體把握生物學知識框架。數學模型能用數學語言來表達生物學原理和規律，將復雜的生物學知識簡單化，便于學生進行預測、判斷，培養學生的高階思維。在高三生物的復習教學中，教師利用模型建構，既能幫助學生將抽象的知識與細胞的結構相聯系，從而使抽象知識變得形象直觀，又能不斷培養學生的分析與歸納、概括和綜合能力，培養了學生的科學思維。