基于模型建构的光合呼吸类综合题教学策略

董长喜

摘要：尝试将模型建构的方法应用于光合呼吸类综合问题的分析并进行了课堂实践。采用项目化学习的方式，课前教师设置驱动性问题引导学生依次构建概念模型、物理模型和数学模型，课中小组汇报并通过高考题检验学习成果，课后利用建模思想总结解题策略，以此发展学生的高阶思维能力。

关键词：高中生物学；模型建构；项目化学习；光合作用；呼吸作用

光合作用和呼吸作用在高中生物必修一模块的教学中占据着举足轻重的地位，不仅是一轮复习中学生遇到的第一个难点，也是每年高考中必考的题目之一。光合和呼吸作用的过程纷繁复杂，常常让学生在分析时顾此失彼。如何在教学过程中采用行之有效的方法，帮助学生梳理零散的知识点，从而在面对此类问题时思路清晰并充满自信，是每名生物教师都应该思考的问题。

一、模型建构在生物教学中的意义

模型与建模是科学思维的内容之一，也是落实生物学科核心素养的方法之一[1]。模型建构是抽象问题具体化思想最重要的体现，这一方法最早出现在细胞核一节。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）对这一方法提出了明确要求：学生完成本模块学习后，要能够建立并使用细胞模型，阐明细胞各部分结构通过分工与合作形成相互协调的有机整体，實现细胞水平的各项生命活动[2]。显然，学会构建合适的模型，对于解决生物问题，培养学生的科学思维和科学探究，以及树立正确的生命观念都大有裨益[3]。

二、光合呼吸综合类问题教学难度分析

呼吸作用是除病毒外所有生物都要进行的异化作用，而光合作用是绿色植物制造有机物储存光能的唯一途径，这部分内容在细胞代谢中十分重要。新课标对这部分内容的要求是：从物质与能量视角，探索光合作用与呼吸作用，阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质与能量的变化。其中着重体现了对科学思维、科学探究和生命观念的考查。

这两个生理过程需要众多的分子参与，物质代谢和能量代谢相互依存不可分割。高中阶段的学习内容只是高度概括，动态的反应过程更不可能通过显微镜直接观察，虽然很多深层次的理论并不需要高中生学习和掌握，但这也给教与学留下了不少悬念，即便是高三的学生，也容易问题频出，在处理习题时，教师如果引导不当，很容易陷入进退两难的尴尬境地。基于以上分析，将模型建构与光合呼吸相结合，用三种模型的“线、形、数”直观地使细胞代谢过程具体化，能够使能量交换可视化，取得事半功倍的效果。

三、教学策略分析

按照光合呼吸综合问题的考查角度，教师可以将其分成过程类、细胞器类和曲线类。过程类问题考查光合及呼吸作用的场所、反应物生成物以及方程式等细节，适合与概念模型结合起来，让学生通过绘制思维导图将散点式的知识系统化、有序化，对于一轮复习中的高三学生来讲，这也是温故知新的重要方式；细胞器类问题着重考查参与这两个生理过程的叶绿体和线粒体之间的关系，由于这两种细胞器的相对独立性，而且绘图方便，教师可以通过构建物理模型来帮助学生理解光合呼吸的联系；曲线类问题难度较大，“光补偿点”“光饱和点”“光合午休”等复杂问题均可体现在曲线变化中，因此利用数学模型既方便得出答案，又可以培养学生的科学思维。

从教学流程上看，由于学生刚刚复习完基础知识，因此三类问题对应的模型建构过程适合学生课前小组合作完成，但综合运用需要教师在课堂上引导。结合智慧教学平台，采用项目化学习的方式，先学后教、难易分明。

四、教学过程

（一）课前导学

教师按照组间同质、组内异质的原则将班级划分为四个小组，通过智慧教学平台推送资源包至学生平板电脑，创设驱动性问题：如何从不同维度构建光合作用和细胞呼吸关系的生物学模型？引导学生自主学习、合作探究。学生根据对所学知识的理解构建光合作用和有氧呼吸关系的思维导图，即概念模型；之后依据概念模型构建不同光照强度下，叶肉细胞内线粒体与叶绿体之间的气体交换示意图，即物理模型；再依据物理模型构建不同光照强度下，光合速率与呼吸速率关系的坐标曲线图，即建构数学模型。每位学生将三种模型构建完毕后，拍照上传，教师收集整理，了解学情，并在教师端对学生提交的作品进行指导，学生构建的概念模型虽然形式不完全相同，但基本是围绕光合呼吸的核心知识，达到了复习的效果，而物理模型的建构主要表现在光合和呼吸强度相等或不相等时气体的流向，还有一些学生构建了一昼夜中光合速率的变化曲线，举一反三地完成了数学模型。通过课前的合作探究充分唤起了学生的求知欲，提高了学习兴趣，锻炼了思维能力。

（二）课中研学

1.小组展示和汇报

每个小组通过评论与修订完善一套作品进行课堂展示，并阐述设计理念，同时针对构建模型过程中存在的问题开展讨论，进行组间互评。教师及时点评并讲解思维导图的绘制方法和注意事项，最后强调思维导图这种概念模型不能流于形式，应该结合实际绘制，细胞器间的物理模型和曲线类数学模型也是如此，不能盲目追求美观而忽视其实用性。这一环节与课前相结合，重在培养学生的合作意识和创新精神，提升教与学的高效性。学生掌握了建构三类模型的思路和方法，也有效突破了本节课的教学重点。

2.高考题针对性检验

项目化学习的重要理念在于学习在课前而提升在课中，因此课前任务完成后，教师分别针对三种模型匹配高考题，让学生课堂思考、讨论并通过智慧教学平台提交答案，检验学生解决问题的能力，最终由小组代表为全班同学讲解。

首先，教师展示2017年新课标Ⅱ卷第29题：

本题针对光合与呼吸作用中的各个阶段设置问题，以糖类将两大生理过程联系在一起，由于学生认真构建了概念模型，对光反应、暗反应和有氧呼吸的三个阶段已经做了充分的复习，并对有氧呼吸只发生在线粒体这一误区做了纠正，因此问题迎刃而解。解决高考题可以给学生注入极大的信心，对于提升学生分析问题的能力也有明显的作用。

而针对物理模型，教师展示了2015年重庆卷的第4题：

学生构建完物理模型后已经对两种细胞器的功能和联系有了全面的认识，分析问题时也能胸有成竹。对于学生表述中出现的“光反应发生在叶绿体内膜”等错误，教师及时更正，个别学生对于选项中出现的“光补偿点”“光饱和点”等名词提出问题，由于涉及数学模型，教师可以因势利导展示2018年全国Ⅰ卷第30题：

学生讲解时，教师发现“阴生植物”“阳生植物”等概念表述不清，而一些学生对于“光合午休”的原因解释不清楚，教师进行了修正，给出标准答案，使得学生豁然开朗。

建构主义的学习理论认为学习是学习者通过新、旧知识经验的相互作用，来形成、丰富和调整自己的认知结构的过程[4]。通过对三类模型的相关高考题的分析，学生已经能熟练运用构建的模型分析和解决新问题，丰富了自己的解题经验，认知水平得到有效提升。

（三）课后拓学

学生进一步完善光合作用和细胞呼吸关系的思维导图，独立思考2014年四川卷第6题创设的问题情境，通过分析两种植物单作和间作下光合速率變化曲线获得的新知，完成对不同形式模型的思维整合，尝试利用模型中所蕴含的生物学知识解决更复杂的生物学问题，如光补偿点、光饱和点和液滴移动类问题，提升学生的必备品格和关键能力，将素养转化为持续的学习实践。

本节课，教师在引导学生构建和解读模型的同时，还时刻渗透并使学生理解“物质与能量观”“结构与功能观”等生命观念。在课堂的最后，借助沃森和克里克的DNA双螺旋结构、爱因斯坦的广义相对论和牛顿的万有引力定律，升华学生的学科情感，实现学生对哲学思想和建构理论的深度融合。

参考文献：

[1] 于彦军.构建模型优化光合速率类试题的解题过程[J]. 中学生物教学，2019（11）.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017 年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020：15.

[3] 洪启燕.高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构[J].安徽教育科研，2018（11）.

[4] 何克抗.关于建构主义的教育思想与哲学基础：对建构主义的再认识[J].现代远程教育研究，2004（3）.

见习编辑/张婷婷