体验科学发现历程构建光合作用概念

2017-10-11 06:52赵广宇汪绍鑫

生物学通报 2017年12期

赵广宇汪绍鑫徐杰

（成都市石室中学四川成都 610041）

1 设计思想

鲁宾斯坦说过：“任何思维，不论它是多么抽象多么理论的，都是从分析经验性材料开始，而不可能是从其他任何东西开始。”概念是由众多事实经归纳推理分析得出的，因此，概念教学离不开事实，众多事实的支撑方可得出概念。所以，概念教学也应建立在事实感知的基础上。“光合作用”是高中生物学中最重要的概念，在教学中如何引导学生建立此概念？

本节教学过程采取教师引导下的学生自主探究式学习。在学生已有的初中知识的基础上，以科学家研究光合作用的经典实验为主线，通过不断提出探究课题创设探究光合作用规律的情境，在分析实验结果的基础上，归纳得出光合作用的原料、产物、条件、场所等结论，进而构建光合作用的概念，归纳光合作用的总反应式，并进一步引申出光合作用的意义。如此，学生在了解生物学事实的前提下，通过分析、归纳、推理等思维活动，自主构建光合作用过程的概念体系；并在学习知识的同时，学习探索生命科学的基本方法，体验科学的设计思想，感悟科学的思维方法，发展科学探究的能力，养成思考、实践和创新的学习习惯，提高自身的生物科学素养。

2 教学目标

1）知识目标：概述光反应和暗反应的过程；阐明光反应和暗反应之间的关系。

2）能力目标：通过资料分析得出相应结论，并作出合理推断；尝试构建“光合作用的过程”的概念模型。

3）情感态度与价值观目标：从物质与能量转化的角度认识生命活动，形成结构与功能相适应的观点。

3 教学重、难点

1）重点：光反应和暗反应的生理过程及二者的联系。

2）难点：光合作用的过程及其模型构建。

4 教学过程

4.1 应用已有概念，提出探究课题教师要求学生根据初中学过的光合作用知识，回答光合作用的概念，以及光合作用的原料、产物、条件和场所。学生能正确答出光合作用的原料、产物、条件和场所，但不能准确表述光合作用的概念。

在此基础上，教师设置问题串进行追问：光合作用过程中的物质变化、能量变化是什么？学生通过合作，回忆得出：CO2和H2O等无机物转变成淀粉等有机物；光能转化为有机物中的能量。

教师设问：植物在叶绿体中是如何实现上述变化的？学生无法回答，教师指出：这就是本节的学习课题——探究光合作用的过程，揭示光合作用的机理。

4.2 体验科学发现历程，探秘光合作用过程教师将教材中的光合作用发现史料与其他资料相整合，按照知识的逻辑顺序，逐步呈现，引导学生进行分析，得出相关结论。

资料 1：1937 年，英国植物学家希尔（R.Hill）做了这样一个实验：从绿色植物的叶肉细胞中分离出叶绿体制成悬浮液，发现在适宜的条件下给分离出的叶绿体溶液以光照，离体的叶绿体在没有CO2存在的条件下，放出了唯一的气体——O2[1］。

资料2：鲁宾和卡门实验（教材内容）。

学生经分析、讨论得出：光合作用释放的O2来自于H2O，可不需要CO2参与；反应条件包括光照和叶绿体。同时，也产生疑惑：H2O生成O2后，其中的氢元素去哪里了？

资料3：科学家希尔（R.Hill）又做了一个实验（图1）：在光下，若给绿色植物的离体叶绿体提供特定的与氢离子结合的H+受体（例如2，6-D，一种氧化性的蓝色染料，H+受体接受H＋后能被还原成无色）。实验除了产生O2外，A试管变为淡绿色（叶绿体本身的颜色），B 为墨绿色[1］。

图1 希尔实验探究氢元素的存在形式

学生解释实验现象：A试管产生了H+并与2，6-D结合，使2，6-D还原成无色物质。B试管缺乏光照，不能产生H+，氧化性2，6-D的蓝色与叶绿体的绿色合在一起，呈现墨绿色。结论：在光照条件下，H2O生成了O2和H+。同时，学生提出疑问：生成的O2供有氧呼吸使用或释放到环境中，H+的去向或存在状态是什么？

资料 4：1954年,美国科学家阿尔农（D.I.）用离体的叶绿体做实验，同样无CO2，在给分离的叶绿体以光照时，当向反应体系中供给ADP、Pi和NADP＋（辅酶Ⅱ）时，发现除生成 O2外，会有 ATP和[H］产生[2］。

同时教师指导学生阅读教材第103页的相关信息，了解辅酶Ⅱ与还原型辅酶Ⅱ的知识[3］，掌握[H］的含义，然后分析资料。

学生分析得出：H2O分解生成的H+与辅酶Ⅱ（NADP+）反应生成还原型辅酶Ⅱ（NADPH），同时生成ATP。

针对学生在结论中只描述物质变化的问题，教师提示学生：ATP的生成意味什么？学生思考后得出：反应过程中发生了能量转换，光能转化为ATP中活跃的化学能。教师进一步说明：色素捕获的光能一部分用于H2O的光解，还有一部分用于ATP的合成。

此时，学生迫切想知道：反应物中的CO2与生成物中有机物之间有什么关系？教师呈现资料5。

资料5：美国科学家卡尔文以小球藻为实验材料，采用放射性同位素标记的14CO2作为光合作用的原料，每隔一段时间取样并使用放射自显影技术追踪被14CO2标记的产物，结果发现：短时间0.5 s的时候，14C标记物首先集中出现在PGA（一种三碳化合物）中，5 s的时候，14C标记物则集中出现在葡萄糖和RUBP（一种五碳化合物）中。当卡尔文突然降低14CO2的供给时，发现RUBP（一种五碳化合物）会积累[4］（图 2）。

图2 突然降低CO2供应，RUBP和PGA的变化

教师要求学生阅读资料，并提出问题：①CO2转化为生成物中的有机物大致经历几个阶段？每个阶段发生了什么变化？②为什么突然降低14CO2的供给时，发现RUBP（一种五碳化合物）会积累？③推测CO2是与何种物质结合形成PGA（一种三碳化合物）的？

经阅读资料、思考讨论后，学生大多数都能得出CO2转化为生成物中的有机物需经历2个步骤及具体变化。对于问题②、③，学生感到无从下手，教师引导学生使用“代入法”——CO2是与RUBP结合形成PGA的，并通过实验数据验证这种推测是合理的。教师解释：细胞内，在CO2浓度相对稳定的时期，RUBP和GPA处于一种动态平衡，当突然降低CO2浓度时，产物GPA随之降低，与CO2结合的RUBP数量减少，RUBP在细胞内积累，最后二者又达到一种动态平衡。

至此，学生通过对科学史的分析，基本厘清了光合作用过程中反应物与生成物之间的关系，对光合作用过程有了初步认知。

4.3 领悟光合作用机理，自主构建概念模型教师引导学生在分析资料的基础上，对光合作用过程发生的物质变化和能量变化进行归纳、总结。

教师首先提出：光合作用过程中，在光下发生了哪些反应?该过程进行的场所、条件、反应物和生成物是什么？学生总结得出：发生了H2O的分解和ATP的形成；条件——光照、酶、色素；反应物——H2O、ADP、Pi和NADP＋；生成物——O2、ATP和[H］；场所——叶绿体类囊体薄膜。教师指出：由于该过程必须有光的参与，因此称为 “光反应”，并进一步要求学生尝试用概念图表示光反应的过程，完成后学生相互评价，修改完善使概念图更加合理、美观（图3）。

图3 学生初次构建和修改完善的光反应模型

教师根据学生之前得出的C元素的转移路径：CO2→C3→C5和（CH2O），指出前一阶段称为 CO2的固定，CO2与五碳化合物结合生成C3；后一阶段称为C3的还原，这些变化可在无光的条件下进行，因此称为“暗反应”。教师引导学生阅读教材，思考完成这2个阶段需要的条件、场所及物质与能量的变化。学生在分析资料的基础上能迅速归纳得出发生暗反应的条件——酶、ATP和[H］、CO2；场所——叶绿体基质；物质变化——CO2转化为有机物；能量变化——ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。此时，教师要求学生构建、评价和修正暗反应的过程模型（图4）。

图4 学生初次构建和修改完善的暗反应模型

4.4 阐明知识之间联系，把握核心概念内涵学生开始构建的概念图基本上就是2个独立的过程，这一困惑也一直萦绕在学生的头脑中：光反应与暗反应之间有什么联系？教师继续提供科学史料。

资料 6：阿尔农（D.I.）用离体的叶绿体做实验，在黑暗条件下中，只要给分离的叶绿体提供ATP和[H］，叶绿体就能将CO2转化为糖类等有机物，同时 ATP 和[H］含量急剧下降[2］。

学生分析得出：暗反应的进行需要消耗ATP和[H］，而在光合作用过程中，产生ATP和[H］的是光反应，即光反应为暗反应提供了ATP和[H］。

为促进学生理解该过程，教师设置问题情境：如果CO2充足，突然停止光照，预测C3含量、C5含量的变化趋势是什么，请说明理由。

学生在教师的引导下，逐步从物质的来源和去路2个角度分析：突然停止光照，光反应生成的ATP 和[H］减少，C3的还原（消耗）减少；另一方面CO2充足，C3生成基本不变，故C3含量总体增多，而C5含量减少。最后形成数学模型（图5）。

图5 突然降低光照强度，C3和C5的变化

教师继续设问：如果光照充足，突然增大CO2浓度，O2的释放强度如何变化？为什么？学生通过类比、讨论后分析得出：突然增大CO2浓度，则暗反应为光反应提供了更多的ADP和Pi，使光反应加快，于是H2O的光解加快，O2的释放强度增大。

最后，利用概念模型（图6）小结：光合作用的光反应和暗反应虽然过程不同，但通过紧密联系形成了一个有机整体，即光合作用的过程。

图6 光合作用的过程模型

5 教学反思

5.1 巧用科学史料，感知生物学事实教师以精心筛选编排的典型科学研究史料为切入点，营造理性思维的氛围，充分激发学生的探索欲望。同时，创设探究的问题情境，引导学生感知科学史料中的生物学事实，并开展分析、推理等思维活动，学生通过事实提取光合作用的本质变化，自主构建光合作用的相关概念。