趙廣宇 汪紹鑫 徐 杰

（成都市石室中學(xué) 四川成都 610041）

1 設(shè)計思想

魯賓斯坦說過：“任何思維，不論它是多么抽象多么理論的，都是從分析經(jīng)驗性材料開始，而不可能是從其他任何東西開始?！备拍钍怯杀姸嗍聦嵔?jīng)歸納推理分析得出的，因此，概念教學(xué)離不開事實，眾多事實的支撐方可得出概念。所以，概念教學(xué)也應(yīng)建立在事實感知的基礎(chǔ)上?！肮夂献饔谩笔歉咧猩飳W(xué)中最重要的概念，在教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生建立此概念？

本節(jié)教學(xué)過程采取教師引導(dǎo)下的學(xué)生自主探究式學(xué)習(xí)。在學(xué)生已有的初中知識的基礎(chǔ)上，以科學(xué)家研究光合作用的經(jīng)典實驗為主線，通過不斷提出探究課題創(chuàng)設(shè)探究光合作用規(guī)律的情境，在分析實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，歸納得出光合作用的原料、產(chǎn)物、條件、場所等結(jié)論，進而構(gòu)建光合作用的概念，歸納光合作用的總反應(yīng)式，并進一步引申出光合作用的意義。如此，學(xué)生在了解生物學(xué)事實的前提下，通過分析、歸納、推理等思維活動，自主構(gòu)建光合作用過程的概念體系；并在學(xué)習(xí)知識的同時，學(xué)習(xí)探索生命科學(xué)的基本方法，體驗科學(xué)的設(shè)計思想，感悟科學(xué)的思維方法，發(fā)展科學(xué)探究的能力，養(yǎng)成思考、實踐和創(chuàng)新的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高自身的生物科學(xué)素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標

1）知識目標：概述光反應(yīng)和暗反應(yīng)的過程；闡明光反應(yīng)和暗反應(yīng)之間的關(guān)系。

2）能力目標：通過資料分析得出相應(yīng)結(jié)論，并作出合理推斷；嘗試構(gòu)建“光合作用的過程”的概念模型。

3）情感態(tài)度與價值觀目標：從物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的角度認識生命活動，形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點。

3 教學(xué)重、難點

1）重點：光反應(yīng)和暗反應(yīng)的生理過程及二者的聯(lián)系。

2）難點：光合作用的過程及其模型構(gòu)建。

4 教學(xué)過程

4.1 應(yīng)用已有概念，提出探究課題 教師要求學(xué)生根據(jù)初中學(xué)過的光合作用知識，回答光合作用的概念，以及光合作用的原料、產(chǎn)物、條件和場所。學(xué)生能正確答出光合作用的原料、產(chǎn)物、條件和場所，但不能準確表述光合作用的概念。

在此基礎(chǔ)上，教師設(shè)置問題串進行追問：光合作用過程中的物質(zhì)變化、能量變化是什么？學(xué)生通過合作，回憶得出：CO2和H2O等無機物轉(zhuǎn)變成淀粉等有機物；光能轉(zhuǎn)化為有機物中的能量。

教師設(shè)問：植物在葉綠體中是如何實現(xiàn)上述變化的？學(xué)生無法回答，教師指出：這就是本節(jié)的學(xué)習(xí)課題——探究光合作用的過程，揭示光合作用的機理。

4.2 體驗科學(xué)發(fā)現(xiàn)歷程，探秘光合作用過程教師將教材中的光合作用發(fā)現(xiàn)史料與其他資料相整合，按照知識的邏輯順序，逐步呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生進行分析，得出相關(guān)結(jié)論。

資料 1：1937 年，英國植物學(xué)家希爾（R.Hill）做了這樣一個實驗：從綠色植物的葉肉細胞中分離出葉綠體制成懸浮液，發(fā)現(xiàn)在適宜的條件下給分離出的葉綠體溶液以光照，離體的葉綠體在沒有CO2存在的條件下，放出了唯一的氣體——O2[1］。

資料2：魯賓和卡門實驗（教材內(nèi)容）。

學(xué)生經(jīng)分析、討論得出：光合作用釋放的O2來自于H2O，可不需要CO2參與；反應(yīng)條件包括光照和葉綠體。同時，也產(chǎn)生疑惑：H2O生成O2后，其中的氫元素去哪里了？

資料3：科學(xué)家希爾（R.Hill）又做了一個實驗（圖1）：在光下，若給綠色植物的離體葉綠體提供特定的與氫離子結(jié)合的H+受體 （例如2，6-D，一種氧化性的藍色染料，H+受體接受H＋后能被還原成無色）。實驗除了產(chǎn)生O2外，A試管變?yōu)榈G色（葉綠體本身的顏色），B 為墨綠色[1］。

圖1 希爾實驗探究氫元素的存在形式

學(xué)生解釋實驗現(xiàn)象：A試管產(chǎn)生了H+并與2，6-D結(jié)合，使2，6-D還原成無色物質(zhì)。B試管缺乏光照，不能產(chǎn)生H+，氧化性2，6-D的藍色與葉綠體的綠色合在一起，呈現(xiàn)墨綠色。結(jié)論：在光照條件下，H2O生成了O2和H+。同時，學(xué)生提出疑問：生成的O2供有氧呼吸使用或釋放到環(huán)境中，H+的去向或存在狀態(tài)是什么？

資料 4：1954年,美國科學(xué)家阿爾農(nóng)（D.I.）用離體的葉綠體做實驗，同樣無CO2，在給分離的葉綠體以光照時，當(dāng)向反應(yīng)體系中供給ADP、Pi和NADP＋（輔酶Ⅱ）時，發(fā)現(xiàn)除生成 O2外，會有 ATP和[H］產(chǎn)生[2］。

同時教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材第103頁的相關(guān)信息，了解輔酶Ⅱ與還原型輔酶Ⅱ的知識[3］，掌握[H］的含義，然后分析資料。

學(xué)生分析得出：H2O分解生成的H+與輔酶Ⅱ（NADP+）反應(yīng)生成還原型輔酶Ⅱ（NADPH），同時生成ATP。

針對學(xué)生在結(jié)論中只描述物質(zhì)變化的問題，教師提示學(xué)生：ATP的生成意味什么？學(xué)生思考后得出：反應(yīng)過程中發(fā)生了能量轉(zhuǎn)換，光能轉(zhuǎn)化為ATP中活躍的化學(xué)能。教師進一步說明：色素捕獲的光能一部分用于H2O的光解，還有一部分用于ATP的合成。

此時，學(xué)生迫切想知道：反應(yīng)物中的CO2與生成物中有機物之間有什么關(guān)系？教師呈現(xiàn)資料5。

資料5：美國科學(xué)家卡爾文以小球藻為實驗材料，采用放射性同位素標記的14CO2作為光合作用的原料，每隔一段時間取樣并使用放射自顯影技術(shù)追蹤被14CO2標記的產(chǎn)物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：短時間0.5 s的時候，14C標記物首先集中出現(xiàn)在PGA（一種三碳化合物）中，5 s的時候，14C標記物則集中出現(xiàn)在葡萄糖和RUBP（一種五碳化合物）中。當(dāng)卡爾文突然降低14CO2的供給時，發(fā)現(xiàn)RUBP（一種五碳化合物）會積累[4］（圖 2）。

圖2 突然降低CO2供應(yīng)，RUBP和PGA的變化

教師要求學(xué)生閱讀資料，并提出問題：①CO2轉(zhuǎn)化為生成物中的有機物大致經(jīng)歷幾個階段？每個階段發(fā)生了什么變化？②為什么突然降低14CO2的供給時，發(fā)現(xiàn)RUBP（一種五碳化合物）會積累？③推測CO2是與何種物質(zhì)結(jié)合形成PGA（一種三碳化合物）的？

經(jīng)閱讀資料、思考討論后，學(xué)生大多數(shù)都能得出CO2轉(zhuǎn)化為生成物中的有機物需經(jīng)歷2個步驟及具體變化。對于問題②、③，學(xué)生感到無從下手，教師引導(dǎo)學(xué)生使用“代入法”——CO2是與RUBP結(jié)合形成PGA的，并通過實驗數(shù)據(jù)驗證這種推測是合理的。教師解釋：細胞內(nèi)，在CO2濃度相對穩(wěn)定的時期，RUBP和GPA處于一種動態(tài)平衡，當(dāng)突然降低CO2濃度時，產(chǎn)物GPA隨之降低，與CO2結(jié)合的RUBP數(shù)量減少，RUBP在細胞內(nèi)積累，最后二者又達到一種動態(tài)平衡。

至此，學(xué)生通過對科學(xué)史的分析，基本厘清了光合作用過程中反應(yīng)物與生成物之間的關(guān)系，對光合作用過程有了初步認知。

4.3 領(lǐng)悟光合作用機理，自主構(gòu)建概念模型教師引導(dǎo)學(xué)生在分析資料的基礎(chǔ)上，對光合作用過程發(fā)生的物質(zhì)變化和能量變化進行歸納、總結(jié)。

教師首先提出：光合作用過程中，在光下發(fā)生了哪些反應(yīng)?該過程進行的場所、條件、反應(yīng)物和生成物是什么？學(xué)生總結(jié)得出：發(fā)生了H2O的分解和ATP的形成；條件——光照、酶、色素；反應(yīng)物——H2O、ADP、Pi和NADP＋；生成物——O2、ATP和[H］；場所——葉綠體類囊體薄膜。教師指出：由于該過程必須有光的參與，因此稱為 “光反應(yīng)”，并進一步要求學(xué)生嘗試用概念圖表示光反應(yīng)的過程，完成后學(xué)生相互評價，修改完善使概念圖更加合理、美觀（圖3）。

圖3 學(xué)生初次構(gòu)建和修改完善的光反應(yīng)模型

教師根據(jù)學(xué)生之前得出的C元素的轉(zhuǎn)移路徑：CO2→C3→C5和（CH2O），指出前一階段稱為 CO2的固定，CO2與五碳化合物結(jié)合生成C3；后一階段稱為C3的還原，這些變化可在無光的條件下進行，因此稱為“暗反應(yīng)”。教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，思考完成這2個階段需要的條件、場所及物質(zhì)與能量的變化。學(xué)生在分析資料的基礎(chǔ)上能迅速歸納得出發(fā)生暗反應(yīng)的條件——酶、ATP和[H］、CO2；場所——葉綠體基質(zhì)；物質(zhì)變化——CO2轉(zhuǎn)化為有機物；能量變化——ATP中活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為有機物中穩(wěn)定的化學(xué)能。此時，教師要求學(xué)生構(gòu)建、評價和修正暗反應(yīng)的過程模型（圖4）。

圖4 學(xué)生初次構(gòu)建和修改完善的暗反應(yīng)模型

4.4 闡明知識之間聯(lián)系，把握核心概念內(nèi)涵 學(xué)生開始構(gòu)建的概念圖基本上就是2個獨立的過程，這一困惑也一直縈繞在學(xué)生的頭腦中：光反應(yīng)與暗反應(yīng)之間有什么聯(lián)系？教師繼續(xù)提供科學(xué)史料。

資料 6：阿爾農(nóng)（D.I.）用離體的葉綠體做實驗，在黑暗條件下中，只要給分離的葉綠體提供ATP和[H］，葉綠體就能將CO2轉(zhuǎn)化為糖類等有機物，同時 ATP 和[H］含量急劇下降[2］。

學(xué)生分析得出：暗反應(yīng)的進行需要消耗ATP和[H］，而在光合作用過程中，產(chǎn)生ATP和[H］的是光反應(yīng)，即光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供了ATP和[H］。

為促進學(xué)生理解該過程，教師設(shè)置問題情境：如果CO2充足，突然停止光照，預(yù)測C3含量、C5含量的變化趨勢是什么，請說明理由。

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，逐步從物質(zhì)的來源和去路2個角度分析：突然停止光照，光反應(yīng)生成的ATP 和[H］減少，C3的還原（消耗）減少；另一方面CO2充足，C3生成基本不變，故C3含量總體增多，而C5含量減少。最后形成數(shù)學(xué)模型（圖5）。

圖5 突然降低光照強度，C3和C5的變化

教師繼續(xù)設(shè)問：如果光照充足，突然增大CO2濃度，O2的釋放強度如何變化？為什么？學(xué)生通過類比、討論后分析得出：突然增大CO2濃度，則暗反應(yīng)為光反應(yīng)提供了更多的ADP和Pi，使光反應(yīng)加快，于是H2O的光解加快，O2的釋放強度增大。

最后，利用概念模型（圖6）小結(jié)：光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)雖然過程不同，但通過緊密聯(lián)系形成了一個有機整體，即光合作用的過程。

圖6 光合作用的過程模型

5 教學(xué)反思

5.1 巧用科學(xué)史料，感知生物學(xué)事實 教師以精心篩選編排的典型科學(xué)研究史料為切入點，營造理性思維的氛圍，充分激發(fā)學(xué)生的探索欲望。同時，創(chuàng)設(shè)探究的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生感知科學(xué)史料中的生物學(xué)事實，并開展分析、推理等思維活動，學(xué)生通過事實提取光合作用的本質(zhì)變化，自主構(gòu)建光合作用的相關(guān)概念。

5.2 自主構(gòu)建概念圖，把握知識內(nèi)在聯(lián)系 本節(jié)課在教學(xué)過程中不斷地構(gòu)建概念模型，嘗試將相關(guān)實驗資料得到的結(jié)論，通過文字和帶箭頭線條連接，構(gòu)建相對完整的知識體系。通過概念模型將知識直觀化、簡明化，這有利于學(xué)生將零散的知識歸納整合，建立知識網(wǎng)絡(luò)體系，最后再深入探討概念模型中各部分的本質(zhì)聯(lián)系，從而深刻領(lǐng)悟光合作用過程中光反應(yīng)與暗反應(yīng)聯(lián)系的內(nèi)涵，最終構(gòu)建光合作用過程的概念體系。