結合進化史的“光合作用”一節項目式學習嘗試

張 燕 （上海市淞浦中學 上海 200941）

光合作用過程是光合作用教學的重點內容之一。植物的光合作用系統是在植物漫長的進化史中逐步完善的。以光合作用的進化史為素材組織學生進行項目式學習，能在培養學生生命觀念的同時，促進其對光合作用意義的思考，增強社會責任。

1 光合作用項目式學習的整體設計思路

“光合作用過程”是上?？茖W技術出版社高中《生命科學》教材第1 冊第4 章的內容。教材以酶和ATP、葉綠體及其色素等內容為知識鋪墊，以光合作用的科學史引入科學思維和實驗探究方法，然后展開光合作用過程的教學。光合作用過程是一個伴隨著能量轉變的復雜物質變化，因此，物質與能量觀是教材中主要體現的生命觀念。

光合作用過程涉及的物質變化較多，例如，NADPH、C3化合物、C5化合物等物質的參與，直接講授既降低了學生的學習興趣，造成記憶困難，也不利于學生在學習中形成物質與能量觀。教學中嘗試以植物從海洋到陸地的進化過程中葉綠素和葉綠體的產生、根和葉等器官的形成為線索，以項目式學習的方式探索植物進化過程中光合作用的發展，構建光合作用過程，感悟光合作用對地球環境和地球生物的影響。用2 課時的時間進行項目啟動、集中討論、交流和展示，并利用一定的課后時間完成小組展示需要的資源準備等工作。

2 光合作用項目式學習的實施

2.1 光合作用項目式學習的主題確立和分解 向學生提供“藻類植物→苔蘚植物→蕨類植物→裸子植物→被子植物”的進化史簡圖，明確學習探究的主題：植物的光合作用如何隨著植物進化史發展？

學生根據已學過的“綠色植物通過葉綠體，利用光能將二氧化碳和水轉化成糖類等有機物，并且釋放氧氣的過程”光合作用概念，討論后提出擬探究的3 類問題：①植物是怎樣具有了利用光的能力？利用光能做什么？②植物如何具備了吸收水的能力？植物利用水做什么？③植物如何具備了吸收CO2的能力？植物怎樣將CO2轉變成糖類？

2.2 項目式學習的實施

2.2.1 分組落實探究點 全班學生分成6 組，根據問題和提示，每2 組研究一類問題。學生結合教材，利用教室網絡環境和教師提供的地球進化史中CO2含量、O2含量變化等數據，進行小組項目研究。

教師同時提示學生，在研究上述問題時，要考慮2 個問題：①關注各種物質變化與能量利用之間的關系；②關注植物光合作用的進化對地球環境和地球生物的影響。

6 組學生分別選定探究問題相關的進化時期。例如，第1～2 組的學生在研究光能的利用時提出，根據已學知識知道吸收光能的是葉綠體上的葉綠體色素，因此，以最早出現葉綠素的藍藻及其演化作為素材進行研究；第3～4 組的學生研究水的利用，將吸收水分的器官——根的進化，即從苔蘚植物到蕨類植物的進化作為研究素材；第5～6 組的學生研究CO2的利用，將吸收CO2的器官——葉的進化史作為研究素材。

2.2.2 小組交流和互補 經組內合作學習，進行了第1 次組間交流。交流中發現，有的小組關注了植物器官的結構變化引起功能變化，沒有深入分析這種功能改變對物質和能量利用的影響；有的小組沒有考慮某種光合作用能力的進化對地球大環境的影響；還發現不同小組研究的物質變化和能量轉變存在聯系，光合作用引起的地球環境改變是持續的，組間可互為補充。因此，在第1 次交流后，6 個小組對同質問題和異質問題的研究角度、表述方式進行比較和補充，并在第2 課時進行第2 次交流。各小組陳述的3 類問題研究概要如下：

問題①：35 億年前地球上出現了藍藻，藍藻中含有葉綠素，可吸收光能。15 億年前，出現了真核的藻類，這些藻類細胞中有葉綠體，就有了進行光合作用的固定場所。葉綠體色素對光能的吸收是有選擇性的，葉綠素a 和葉綠素b 主要吸收藍紫光和紅光，類胡蘿卜素主要吸收藍紫光。這些色素分子將吸收的光能傳遞給少數特殊的葉綠素a，使其被光能激發，釋放高能電子。

待解決的問題：被葉綠素吸收的光能，在后續過程中會以什么能量形式存在？

問題②：光合作用需要水，生活在潮濕環境下的苔蘚進化出具有支撐作用的假根。而正在離開水環境的蕨類植物進化出有輸導組織的真正的根，用于吸收水分。因此，根的出現保證了植物能像原始的藍藻一樣，在光合作用中將水分解成O2和H+。O2的產生使地球從無氧環境逐漸變成了有氧環境。部分氧還形成了臭氧層，阻擋了太陽的紫外線輻射，保護了地球生物的生存。

待解決的問題：什么促使水分解成為O2？植物將O2排出體外，留下的H+有什么作用？

問題③：早期地球上的動物較少，CO2含量也不高。在植物長時間的光合作用后，地球上CO2含量更低了。為了更多地吸收CO2，蕨類植物進化出了葉子。葉面積越大，葉上的氣孔越多，能吸收的CO2也越多。植物還進化出用以儲存光合作用產物（糖類）的器官，例如，根、莖、果實，這些儲存的有機物為動物的生存提供了食物。

待解決的問題：從CO2到糖類，中間發生了哪些化學反應？需要什么條件？這些反應和O2的產生是否有聯系？

2.2.3 對光合作用進化史的整合和過程猜想以組間交流為基礎，各小組進行光合作用進化史的列表整合，并將各小組最后提出的問題進行合理猜想（表1）。

表1 光合作用進化史的探究總結及過程猜想

2.2.4 光合作用過程的構建和光合作用意義的闡述 在完成列表的基礎上，小組結合教材和猜想，構建光合作用過程的概念圖，闡述概念圖中光能是如何隨物質變化被逐步儲存至糖類等有機物中，歸納光合作用產物對地球環境和生物生存的作用和意義。

2.2.5 光合作用項目式學習的小組評價 對小組學習活動分團隊合作、創新創造、批判性思維、展示技巧4 個部分進行評價（表2）[1]。

表2 項目式學習小組評價表

3 項目式學習教學組織的反思

教師在學生的項目式學習中發現，融入了進化史的光合作用過程學習，促進了學生對物質變化和能量轉變的主動探究，引發了其對物質與能量之間關系的深度思考，真切地感悟到光合作用對地球和生命生存的重大意義。此外，在光合作用和進化史的融合學習中，學生對結構與功能觀、進化與適應觀也有了進一步的認識。有些小組對地球某些時期高含氧量對昆蟲體型的影響、大型食植動物對植物形態的影響等課題產生了新的研究興趣，使項目式學習有了持續性和發展性。