《光合作用》一章的生活化教學設計

摘要：光合作用是“植物生理學”課程的核心內容之一，與人類生活和生態系統保護密切相關。教材中涉及的內容對于學生來說，可能顯得抽象。為了提高本章的教學效果，筆者分析了結合生活中的問題和實例進行引導和講解的思路，以幫助學生更好地理解和應用光合作用的知識。

關鍵詞：光合作用；生活；教學；引導

中圖分類號：Q945.7文獻標識碼：C

LifeOrientedTeachingDesignfortheChapteron"Photosynthesis"

LiHaiyun

CollegeofAgricultureandAgriculturalEngineering，LiaochengUniversityShandongLiaocheng252059

Abstract：Photosynthesisisoneofthecorecontentsof"plantphysiology"courses，closelyrelatedtohumanlifeandecosystemprotection.Thecontentinvolvedinthetextbookmayappearabstracttostudents.Inordertoimprovetheteachingeffectivenessofthischapter，aguidingandexplanatoryapproachcombiningreallifeproblemsandexampleswasanalyzedtohelpstudentsbetterunderstandandapplytheknowledgeofphotosynthesis.

Keywords：Photosynthesis；Life；Teaching；Guide

植物光合作用與人們生活密切相關，它不僅為人類提供了食物、纖維和其他資源，還為大氣組成平衡和生態系統保護做出了貢獻。通過更好地了解光合作用的過程和影響因素，我們可以采取合理措施提高作物的產量和質量，同時保護和維護生態系統。

光合作用是“植物生理學”課程最核心、最重要的內容之一，占到課程總學時的1/6，也是各種類型考試試題中分數占比最大的章節之一。其中部分內容對于許多學生來說可能會顯得抽象，如何將“植物生理學”的教學與日常生活聯系起來，使抽象的理論變得生動、形象，是值得探討的問題。在光合作用的教學中，教師可以結合生活中的問題和實例進行講解，幫助學生更好地理解和應用光合作用的知識。

1《光合作用》一章的教學內容

本章主要內容為光合作用的重要性、葉綠體的結構和成分、光合色素的主要種類和性質、葉綠素的生物合成、光合作用的過程（包括原初反應、電子傳遞和光合磷酸化、碳同化）、光呼吸、光合作用的影響因素、光能利用率等［1］。教學目標：掌握葉綠體結構及光合色素種類和性質；了解葉綠素的生物合成及其影響因子；初步弄清光合作用機理；了解光呼吸的基本過程和主要生理功能；弄清光合作用的影響因素。本章重點和難點：葉綠素生物合成的影響因子、光合作用的機理、光合作用的影響因素等。

2《光合作用》一章的教學現狀

目前本章內容仍采用灌輸式教學，這種教學方式通常傾向于將學生視為知識的接收器，而不是積極參與的學習者。這種方式減少了學生的主動性和創造性，容易使學生形成被動接受知識的態度，而不會主動思考和解決問題。灌輸式教學可能會使學生感到疲勞，這種教學方式缺乏趣味性，難以引起學生的興趣和好奇心。

3《光合作用》一章的生活化教學思路分析

3.1光合作用重要性

教師先以我們的衣食住行所需要的物質及能源，還有我們呼吸需要的氧氣為話題引入課程，分析植物光合作用的重要性，認識到光合作用是地球上最重要的化學反應。它將無機物轉變成有機物、將光能轉變成化學能、維持大氣氧氣和二氧化碳的相對平衡，是地球上一切生命生存和發展的基礎。然后以人們感興趣的諾貝爾獎為話題引出，到目前為止，共有8次諾貝爾獎的桂冠被從事光合作用研究的科學家所摘?。?］，其中因為研究葉綠素而獲獎3次，研究類胡蘿卜素獲獎1次，研究卡爾文循環獲獎1次，研究ATP獲獎2次，研究光合作用反應中心獲獎1次，讓同學們進一步認識到光合作用的重要性。

3.2葉綠體和光合色素

由詩句“停車坐愛楓林晚，霜葉紅于二月花”創設問題：為什么大多數植物的葉片是綠色？秋天樹葉為什么會變黃或變紅？引導同學們思考分析光合色素的種類和比例。網頁截圖：青菜里面有藍色顆粒到底是什么？對人體有害嗎？有的人認為是硫酸銅，為什么認為可能是硫酸銅呢？由這個問題引導到光合色素的理化性質——取代反應，進一步解釋做植物標本的步驟和原理。讓同學們觀察葉綠體色素提取液在透射光和反射光下的顏色變化，引出光合色素的熒光現象和磷光現象，并解釋熒光現象產生的原因及光合色素吸收的光能的三條可能的去路。進而由光合色素存在細胞的什么部位引到葉綠體的結構。放映幾張由于不同原因導致發黃的植物葉片圖片或者真實的植物葉片，讓同學們分析植物葉片失綠變黃的可能原因，引入葉綠素的生物合成及其影響因素，如溫度、光照、水分、礦質元素等。

3.3光合作用過程

太陽能電池板是把光能轉換為電能，光合作用的原初反應也同樣是把光能轉換為電能，但太陽能電池板的轉換效率最高不超過30%，遠遠不及葉片的轉換效率（接近100%），通過葉片究竟是怎樣進行轉化的問題引到光合作用的原初反應。講解光合鏈時可以把光合電子傳遞體比喻成工廠流水線上的不同工種的工人，由我們呼吸需要的氧氣來自水的光解引到希爾反應，由除草劑導致雜草死亡的原因聯系到光合電子傳遞的途徑和類型。以小小的一片葉子、無比平凡卻又無比精致、值得人類學習的東西還有很多等結尾，激發同學們熱愛自然、研究自然的興趣。

二氧化碳是怎樣變成我們食用的碳水化合物的呢？以此為問題引入光合作用的碳同化，最基本的是卡爾文循環?？茖W家卡爾文和本森花了10年的時間，在無數次失敗之后，終于搞清楚了CO2同化的循環途徑。通過這個案例能夠培養學生勇于探索未知、遇到困難鍥而不舍的科學精神。讓同學們思考“如果你是卡爾文，應該怎樣設計實驗”，借此培養學生的主動思考和解決問題的能力。講述卡爾文循環的過程及產物——磷酸丙糖可在葉綠體內形成淀粉，也可運出葉綠體，在細胞質中合成蔗糖，淀粉和蔗糖就是植物光合作用的主要產物。熱帶植物如甘蔗等除了和其他植物一樣具有卡爾文循環以外，還存在另外一條固定CO2的途徑——C4途徑。為什么稱為C4途徑呢？引導同學們根據C3途徑來思考C4途徑的二氧化碳的固定產物，進一步講解C4途徑的過程。

從光合作用氣體的角度分析：夜間臥室內最適宜放什么綠植？大部分同學會回答夜間臥室不適合放綠植，因為它們晚上進行呼吸作用（消耗氧氣、釋放二氧化碳），會與人爭奪氧氣。通過問題引導同學們思考光合作用中的氣體交換——吸收二氧化碳、釋放氧氣。是不是所有的植物都是白天消耗二氧化碳、釋放氧氣呢？答案是否定的。氣體交換主要通過氣孔進行，氣孔不僅是氣體通道，還是蒸騰的主要通道。沙漠植物為了減少水分的喪失，氣孔白天關閉，夜晚開放，因此它們夜晚吸收二氧化碳，二氧化碳被固定生成有機酸，白天有機酸脫羧產生的二氧化碳通過卡爾文循環還原，這種碳同化的途徑為景天科酸（CAM）代謝途徑。通過此問題引導同學們得出結論——從氣體交換的角度考慮，最適宜放CAM植物，如蘆薈、落地生根和多肉植物等。

如何初步鑒定一種未知碳同化途徑的植物是C3植物還是C4植物？引導同學們思考并列表比較C3植物和C4植物在形態結構和光合生理特性方面的區別。觀察大豆（C3植物）和玉米的（C4植物）的葉片，驗證它們在結構上的區別，如背腹面顏色是否一致、是否具有花環狀結構等，并進一步剖析C4植物光合效率高于C3植物的原因。

3.4光呼吸

我們通常所說的呼吸作用（消耗氧氣、釋放二氧化碳）一般是在線粒體進行的。在光下，植物葉綠體不僅僅進行光合作用，同時也消耗氧氣。這是因為葉綠體內進行二氧化碳固定的Rubisco既有羧化酶活性，也有加氧酶活性。植物綠色細胞在光下吸收氧氣、放出二氧化碳的過程稱為光呼吸，在講解光呼吸的過程中，讓同學們思考比較C3和C4植物光呼吸速率的高低。光呼吸作用可以明顯地減弱光合作用，降低作物產量，那么抑制光呼吸是否可以提高作物產量呢？研究表明，長時間抑制光呼吸條件下，植物不能正常生長，因此，單獨通過抑制光呼吸提高作物產量是不現實的。近年來的研究結果表明，光呼吸是在長期進化過程中，為了適應環境變化、提高抗逆性而形成的一條代謝途徑，具有重要的生理意義。通過這個案例能夠培養同學們的辯證思維。

3.5影響光合作用的因素

講解影響光合作用的因素前，先讓同學們思考大樹底下無豐草、合理密植、二氧化碳施肥、合理澆水和施肥等問題蘊含的知識，引出影響光合速率的因素。大樹底下無豐草及合理密植主要闡述光強和光質對光合作用的影響。二氧化碳和水作為光合作用的原料，對光合作用都有較大影響。合理施肥是因為氮、鎂、鐵、磷、鉀等礦質元素影響葉綠素的合成或者光合產物的代謝和運輸。植物的光合速率在一天中也有變化，有時出現“午休”現象，以引導同學們分析造成“光合午休”的原因。由農業生產中的間作套作、多茬種植、溫室人工補光等聯系到提高光能利用率的途徑。

4光合作用的深化拓展與應用

4.1人造葉綠體

眾所周知，葉綠體是為綠色植物進行光合作用的場所，簡單來講，是高等植物和一些藻類所特有的能量轉換器。2016年德國馬克斯普朗克研究所的TobiasJ.Erb課題組與法國波爾多大學的JeanChristopheBaret合作在Science上發表了題為LightpoweredCO2fixationinachloroplastmimicwithnaturalandsyntheticparts的文章。文章的作者通過液滴微流控技術將天然的葉綠體內中類囊體膜與CETCH固碳循環中的多種酶完美整合，構建出了能夠利用光照作為能量源且效率超過自然的人造葉綠體。這種人造葉綠體能夠通過光合作用產生能量分子ATP與NADPH，并進一步高效地將二氧化碳轉化為化工原料羥基乙酸。文章的作者首先從菠菜的葉綠體中分離出類囊體膜，并通過實驗證實了分離所得的類囊體膜能夠在光照的條件下將NADP+還原為NADPH，且能夠將ADP轉化為ATP。在這基礎上，證實了類囊體膜能夠兼容CETCH循環中所需的16種酶以及乙醛酸還原酶。值得一提的是，CETCH循環中的酶來自于植物、動物、微生物等多個物種，是目前人類已經發現固碳途徑中反應路徑最短、能耗最低的固碳循環。盡管目前技術還存在各種各樣的問題，能否大規模使用還未可知，但是人造葉綠體影響十分深遠。研究人員希望，未來可以通過這種技術合成比普通碳水更有意義的有機物，比如藥物分子。

4.2人工合成淀粉

中國科學院天津工業生物技術研究所馬延和科研團隊在實驗室里首次實現了二氧化碳到淀粉的從頭合成，相關成果在國際知名學術期刊Science上發表。這項科研突破的“含金量”如何？關于中國科學家研制出人工淀粉的新聞在國際社會上引起了巨大的轟動，甚至有人將中國譽為“國際救世主”。這是一個由無機物向有機物的巨大跨越，有利于解決糧食問題，這是這個重大成就最高光的地方。高效率，低成本，原材料CO2可以說是近似于取之不盡，用之不竭的，有了這個發現，糧食供應問題就有了一個本質性的突破。人工合成淀粉從最完美的角度提供了一條最經濟的路徑。對CO2的循環利用，有利于溫室效應問題的緩解和解決，有利于地球環境的保護和調節，進而有利于碳中和目標的實現。萬事開頭難，科學家們在起步時經歷了無數次失敗，但最終憑借百折不撓的毅力成功打開了這扇大門。他們先將甲醇轉化為三碳化合物，再將其轉化成六碳化合物，利用“搭積木”的方式不斷轉化，最終聚合成淀粉。相比于植物合成淀粉，它實現了兩大開創性突破。首先，在合成過程中不需要借助自然光和太陽能。我們都知道，自然界的植物在利用二氧化碳合成淀粉時，光和水是必須具備的兩大條件?？芍参锖铣傻矸蹠r對光的利用率一般低于2%，相比之下，人工合成淀粉技術就成功打破了這一限制，對光的利用率超過了10%，大大提升了轉化效率。其次，合成工序更為簡單，極大縮短了淀粉轉化周期。植物在合成淀粉時需要經歷60多個步驟，花費近3個月的時間，而人工合成淀粉只需11天的時間。從理論上講，1立方米的生物反應器年產淀粉量相當于3333平方米土地玉米種植的平均年產量。

5教學反思

植物光合作用無所不在，不僅支撐了人類的食品生產和能源供應，還是生物未來科技、環境保護的基礎。采用單向知識傳授方式的傳統“填鴨”式的教學模式，導致學生學習興趣降低，教學質量和教學效果低下［3］?，F代教育提倡以學生為中心，注重啟發學生思維和培養其自主學習能力，以及加強實踐應用和實踐能力的培養。陶行知先生說：“我們的實際生活，就是我們全部的課程；我們的課程，就是我們的實際生活?！鄙钆c知識是相輔相成的促進關系，生活是知識的源頭活水［4］。這為我們指明了教學的方向：植物生理學就在身邊，植物生理學與生活息息相關?；谏顚嵗膯栴}既有生動性又有趣味性，能真正推動學生思考和深入學習。

參考文獻：

［1］潘瑞熾.植物生理學［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［2］張成軍.光合作用與諾貝爾獎［J］.中學生物學，2007，23（5）：3.

［3］王愛玲.走向“生活·生成·生命”：當代教學理論新趨向［J］.教育學術月刊，2022（6）：8794.

［4］張芳，鐘蕾，蔣海燕，等.問題導入法在《植物生理學》教學中的探索與實踐［J］.生物災害科學，2022，45（1）：8186.

基金項目：山東省研究生教育質量提升計劃項目：“高級植物生理生化案例庫建設”（SDYAL21194）；聊城大學教學改革項目：“生活實例+問題驅動”式教學法在《植物生理學》課程教學中的探索與應用

作者簡介：李海云（1974—），女，山東聊城人，博士，副教授，研究方向：植物生理學。