例谈模型建构法在初中生物复习课中的应用——以“植物的光合作用和呼吸作用”为例

张慧凯 吴佳林

（浙师大附属芦江书院 浙江宁波 315800）

2022年4月，《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）正式颁布，对当前的生物学教学提出了新的要求。《课程标准》提出“教学过程重实践”的课程理念，要求教师关注学生学习过程中的实践经历，通过实践加深学生对生物学概念的理解，提升应用知识的能力。《课程标准》在每部分课程内容后配套了相应的教学提示，强化了“怎么教”的具体指导，给教学带来了便利。尽管新授课的指导更加清晰，但新形势下如何更好地开展生物学复习课教学，《课程标准》在教学指导中并未提及，很多教师也依然感到无从下手。

复习课是在学生学习到某一阶段后进行的，主要作用是加强学生对知识的理解和记忆，通过及时梳理来防止学生遗忘，其在教学中的地位不言而喻。但复习时，学生对概念已经没有新鲜感，课堂上很容易出现效率不高、思维含量不足、甚至大量堆砌习题等现象。为在复习课中落实教学实践，响应新课程理念，笔者提出了利用模型建构的策略来助力生物学复习，旨在训练学生思维、渗透生物学学科思想，帮助学生建立学习方法，从而更高效地达成教学目标。

1 模型建构策略下的初中生物复习课路径

《课程标准》明确将“建模”作为发展科学思维的基本方法之一，在义务教育段生物教学中，一般将模型分为：物理模型、概念模型、数学模型3种。物理模型一般指能直观地表达认识对象的特征的实物或图画。概念模型指用文字或符号表达各类对象的特征、关系的模型。数学模型指以数学形式描述一个系统或其性质的模型。在复习课中，教师可巧妙利用这三种模型的特点，以学科知识内在逻辑为主线，由现象到本质，从定性到定量。笔者构建了如图1所示的复习课教学路径。

图1 模型建构策略下的初中生物复习课路径图

植物的新陈代谢是初中生物的核心知识，主要包括光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等内容。下面以复习课“植物的光合作用和呼吸作用”为例。

2 基于模型建构策略下的复习课教学案例

2.1 考情分析

光合作用和呼吸作用是初中生物学体系的核心内容，也是中考命题的热点。近年来，命题专家已不再仅仅满足于考查两大作用的场所、产物、单一影响因素等陈述性知识，更趋向于命制真实情境下涉及光合作用和呼吸作用的综合性试题，旨在考查学生关键能力和生物学核心素养，常见题型有图表题、说理题等。因此，学生单靠浅层记忆很难在学业测评中取得优势，教师在平时需要培养学生的综合分析、建模、深度思考的能力。

2.2 学情分析

本节课的授课对象是中考二轮复习的初三学生，经过前面的新课教学和一轮复习，已经较好地掌握了光合作用和呼吸作用的基本知识。但是，大部分学生很难将所学知识与生产、生活实际联系，面对复杂多变的坐标曲线类图像题。更是无从下手。其原因是学生对光合作用和呼吸作用之间的内在本质关系理解不深，对真光合作用速率、净光合作用速率和呼吸作用速率间的关系不能辨别。所以，在本节课上，教师采用逐步建模的方法，帮助学生深入理解光合作用和呼吸作用。

2.3 教学目标

①理解并掌握光合作用和呼吸作用强度之间的关系，理解净光合作用的含义，理解图像中某些点、线段所表示的意义。

②能够运用呼吸作用和光合作用原理分析外界条件对植物生长影响，培养分析问题的能力。

③通过对光合作用和呼吸作用的理解，了解其在农业生产中的应用，体会科学来源于生活又服务于生活。

2.4 教学过程

2.4.1 创设情境，激活旧知

上课伊始，教师组织学生观看夏天多地高温红色预警的视频，从学生的亲身体验出发，提出问题：二氧化碳是一种最常见的温室气体。为应对气候变化，我国提出2060年前实现“碳中和”，即通过一些措施使二氧化碳净排放量降为零。请简述能改变大气中二氧化碳含量的例子。对于上述问题，学生很轻易就想到绿色植物的光合作用和呼吸作用。教师追问：绿色植物的新陈代谢与大气中的二氧化碳含量的变化息息相关，请回忆：①植物光合作用、呼吸作用的发生分别需要什么条件？②它们在怎样的场所中进行的？③它们对植物体的生长发育有怎样的意义？④它们对人类的生产生活又会带来怎样的影响？在教师环环相扣的问题串中，学生完成对旧知的梳理，唤醒大脑中沉睡的知识。

设计意图：复习课不同于新授课，需要在原有的知识基础上进一步挖掘、拓展，以加深学生的理解。因此，教师首先要引导学生总结知识规律，在具体问题情境的刺激下激活学生头脑中原有的知识。

2.4.2 渐构模型，厘清概念

学生在梳理了光合作用和呼吸作用基本知识后，总结归纳光合作用、呼吸作用、蒸腾作用的关系，初步形成概念模型A（图2）。

图2 植物“三大作用”概念模型图A

教师引导学生思考：概念模型A通过简单的连线将绿色植物的三大作用联系起来。但是，该概念模型无法清晰表示出关键气体的利用和流向。樟树是宁波的市树，被广泛种植在宁波的道路两旁。请将学案上“樟树叶片”图像补充完整，以“叶片”为载体进行绘制，要能展示出气孔的开闭、CO2、O2气体的吸收和排放等特点。学生小组讨论，在学案中完成绘制，进一步形成概念模型B（图3），并展示、介绍。

图3 植物“三大作用”概念模型图B

教师总结：从上述模型可以看出，绿色植物的叶片既会吸收CO2，又会产生CO2，因此单纯考虑光合作用或呼吸作用中的一种没有意义，必须将两种作用结合起来考虑。而两种作用对CO2的吸放情况是相反的。因此，教师自然而然地提出问题：概念模型B能否帮助搞清楚绿色植物对大气中CO2含量的影响这一问题？当现有模型无法解决问题时，学生自发地进行思考并明确，模型必须能反映出光合作用和呼吸作用的强度。教师布置任务：请以CO2为中间桥梁，从“叶片”模型中抽离出单个叶肉细胞模型，以线粒体作为呼吸作用主场所，以叶绿体作为光合作用主场所，绘制CO2、O2的气体流动方向，从而罗列出CO2的吸放情况。学生比较呼吸作用和光合作用的强度，分类讨论后完成叶肉细胞CO2流动模型图的绘制，形成概念模型图C（图4）。

图4 叶肉细胞CO2流动概念模型图C

设计意图：CO2的含量变化涉及到植物的两种生理作用，对绝大多数学生而言较抽象。因此，教师基于最近发展区理论，在学生的原有的认知水平上，引导学生逐步建构概念模型，循序渐进，由表及里，根据生物学模型的科学性和简明性，去粗取精，较好地反映出植物生理作用的本质特征和内部规律，有效解决问题，达成教学目标。

2.4.3 深化模型，提升思维

在学生展示概念模型C后，教师进一步提问：在生物学研究中，除了用图像之外，还可用数学关系表示作用关系的强弱。基于上述四幅图，请用公式表示光合作用与呼吸作用中所对应CO2的关系。学生思考后，利用公式对单个叶肉细胞建构数学模型：

①叶绿体固定的CO2量=从外界吸收的CO2量+线粒体释放的CO2量。

③释放至外界的CO2量=线粒体释放的CO2量-叶绿体固定的CO2量。

根据学生的模型，教师联系农业生产实际，进行解释：日常所测定的光合作用速率是根据释放到外界的CO2量测定的，其已经受到了呼吸作用的影响，并非植物真正进行光合作用的速率，被称为净光合速率。至此，学生对课堂之初“碳中和”中的解释——“CO2的净排放量”中的“净”字有了更深层次的体会。随后，教师进一步深化数学模型，以整株植物体为研究对象，要求学生绘制出夏季晴朗的一天中，樟树的CO2吸收量的变化示意图，并对图中曲线的各段变化情况进行解释（图5）。

图5 樟树CO2吸收量变化示意图

设计意图：数学模型可表达的内容可以是定量的，如公式中的等量关系，也可以是定性的，如折线图中的升降变化情况。在经历建构概念模型、绘制物理模型后，教师抽离出数学模型，引导学生解释曲线的起点、折点、交点等特殊点的生物学含义，理解整个曲线变化趋势的内在原因。这时，学生对植物体生命活动三大作用的理解已经有了质的提升，也为后面的解决问题打下了良好的铺垫。

2.4.4 运用模型，解决问题

通过模型的建构，学生根据植物一天中CO2吸收量变化示意图，提出增加绿色植物进行“碳中和”能力的措施。在学生提出单个因素后，教师再度追问：温度会同时影响植物的光合作用、呼吸作用和蒸腾作用，请观察三种生理作用与温度的关系图，选出植物“碳中和”的最适宜的温度。教师利用复杂的影响情况图，培养学生多角度、多方面考虑问题的能力，提升学生的高阶思维。

设计意图：通过数学模型中折线图的分析，学生很轻易就能讲出增加光照时间、适当增强光照强度（利用清洁能源中所含能量转化成光能）、找到光合作用和呼吸作用的最适温度等手段。教师创设真实的情境，引导学生利用所建构的模型去解释、解决实际问题，达到知识的迁移与应用。另外，教师还可以和学生分享前沿科技知识，讲述中国科学家通过基因工程从而控制植物午间气孔的开闭情况增强光合作用的事例，激发学生的爱国热情和学习生物的积极性。

2.5 教学反思

建构主义学习理论认为，真正的学习应是主动建构的，而采用模型建构的复习方法能较好地实现这种教学主张。在课堂中，学生对原有的知识信息进行再加工、处理，建构出能解决问题的模型，并借助模型，使得头脑中的生物学概念更形象化、简约化和直观化。本节课上，教师基于学生的认知规律，设计了真实情境下的探究问题，使学生体验到了模型建立对解决问题带来的帮助，并经历了从粗糙到精细、从形象到抽象、从定性到定量的建模过程，从而深层理解知识。由于学生建模时，笔者多采用启发式教学来鼓励绘制，留给学生自发交流、讨论、展示的时间较长，因此课堂最后留给问题解决的时间不是很多，对于基础较差的学生可能训练不够充分。另外，由于时间有限，最后笔者没有引导学生总结、强化模型和建模的重要性，即“是获得知识的重要途径和方法”。本节课主要采用了概念模型和数学模型，教师若有时间，可在结课时补充物理模型的介绍，以此让学生对模型形成完整的认识。