張 燕 (上海市淞浦中學(xué) 上海 200941)
光合作用過程是光合作用教學(xué)的重點內(nèi)容之一。植物的光合作用系統(tǒng)是在植物漫長的進化史中逐步完善的。以光合作用的進化史為素材組織學(xué)生進行項目式學(xué)習(xí),能在培養(yǎng)學(xué)生生命觀念的同時,促進其對光合作用意義的思考,增強社會責(zé)任。
“光合作用過程”是上??茖W(xué)技術(shù)出版社高中《生命科學(xué)》教材第1 冊第4 章的內(nèi)容。教材以酶和ATP、葉綠體及其色素等內(nèi)容為知識鋪墊,以光合作用的科學(xué)史引入科學(xué)思維和實驗探究方法,然后展開光合作用過程的教學(xué)。光合作用過程是一個伴隨著能量轉(zhuǎn)變的復(fù)雜物質(zhì)變化,因此,物質(zhì)與能量觀是教材中主要體現(xiàn)的生命觀念。
光合作用過程涉及的物質(zhì)變化較多,例如,NADPH、C3化合物、C5化合物等物質(zhì)的參與,直接講授既降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,造成記憶困難,也不利于學(xué)生在學(xué)習(xí)中形成物質(zhì)與能量觀。教學(xué)中嘗試以植物從海洋到陸地的進化過程中葉綠素和葉綠體的產(chǎn)生、根和葉等器官的形成為線索,以項目式學(xué)習(xí)的方式探索植物進化過程中光合作用的發(fā)展,構(gòu)建光合作用過程,感悟光合作用對地球環(huán)境和地球生物的影響。用2 課時的時間進行項目啟動、集中討論、交流和展示,并利用一定的課后時間完成小組展示需要的資源準(zhǔn)備等工作。
2.1 光合作用項目式學(xué)習(xí)的主題確立和分解 向?qū)W生提供“藻類植物→苔蘚植物→蕨類植物→裸子植物→被子植物”的進化史簡圖,明確學(xué)習(xí)探究的主題:植物的光合作用如何隨著植物進化史發(fā)展?
學(xué)生根據(jù)已學(xué)過的“綠色植物通過葉綠體,利用光能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成糖類等有機物,并且釋放氧氣的過程”光合作用概念,討論后提出擬探究的3 類問題:①植物是怎樣具有了利用光的能力?利用光能做什么?②植物如何具備了吸收水的能力?植物利用水做什么?③植物如何具備了吸收CO2的能力?植物怎樣將CO2轉(zhuǎn)變成糖類?
2.2 項目式學(xué)習(xí)的實施
2.2.1 分組落實探究點 全班學(xué)生分成6 組,根據(jù)問題和提示,每2 組研究一類問題。學(xué)生結(jié)合教材,利用教室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和教師提供的地球進化史中CO2含量、O2含量變化等數(shù)據(jù),進行小組項目研究。
教師同時提示學(xué)生,在研究上述問題時,要考慮2 個問題:①關(guān)注各種物質(zhì)變化與能量利用之間的關(guān)系;②關(guān)注植物光合作用的進化對地球環(huán)境和地球生物的影響。
6 組學(xué)生分別選定探究問題相關(guān)的進化時期。例如,第1~2 組的學(xué)生在研究光能的利用時提出,根據(jù)已學(xué)知識知道吸收光能的是葉綠體上的葉綠體色素,因此,以最早出現(xiàn)葉綠素的藍(lán)藻及其演化作為素材進行研究;第3~4 組的學(xué)生研究水的利用,將吸收水分的器官——根的進化,即從苔蘚植物到蕨類植物的進化作為研究素材;第5~6 組的學(xué)生研究CO2的利用,將吸收CO2的器官——葉的進化史作為研究素材。
2.2.2 小組交流和互補 經(jīng)組內(nèi)合作學(xué)習(xí),進行了第1 次組間交流。交流中發(fā)現(xiàn),有的小組關(guān)注了植物器官的結(jié)構(gòu)變化引起功能變化,沒有深入分析這種功能改變對物質(zhì)和能量利用的影響;有的小組沒有考慮某種光合作用能力的進化對地球大環(huán)境的影響;還發(fā)現(xiàn)不同小組研究的物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)變存在聯(lián)系,光合作用引起的地球環(huán)境改變是持續(xù)的,組間可互為補充。因此,在第1 次交流后,6 個小組對同質(zhì)問題和異質(zhì)問題的研究角度、表述方式進行比較和補充,并在第2 課時進行第2 次交流。各小組陳述的3 類問題研究概要如下:
問題①:35 億年前地球上出現(xiàn)了藍(lán)藻,藍(lán)藻中含有葉綠素,可吸收光能。15 億年前,出現(xiàn)了真核的藻類,這些藻類細(xì)胞中有葉綠體,就有了進行光合作用的固定場所。葉綠體色素對光能的吸收是有選擇性的,葉綠素a 和葉綠素b 主要吸收藍(lán)紫光和紅光,類胡蘿卜素主要吸收藍(lán)紫光。這些色素分子將吸收的光能傳遞給少數(shù)特殊的葉綠素a,使其被光能激發(fā),釋放高能電子。
待解決的問題:被葉綠素吸收的光能,在后續(xù)過程中會以什么能量形式存在?
問題②:光合作用需要水,生活在潮濕環(huán)境下的苔蘚進化出具有支撐作用的假根。而正在離開水環(huán)境的蕨類植物進化出有輸導(dǎo)組織的真正的根,用于吸收水分。因此,根的出現(xiàn)保證了植物能像原始的藍(lán)藻一樣,在光合作用中將水分解成O2和H+。O2的產(chǎn)生使地球從無氧環(huán)境逐漸變成了有氧環(huán)境。部分氧還形成了臭氧層,阻擋了太陽的紫外線輻射,保護了地球生物的生存。
待解決的問題:什么促使水分解成為O2?植物將O2排出體外,留下的H+有什么作用?
問題③:早期地球上的動物較少,CO2含量也不高。在植物長時間的光合作用后,地球上CO2含量更低了。為了更多地吸收CO2,蕨類植物進化出了葉子。葉面積越大,葉上的氣孔越多,能吸收的CO2也越多。植物還進化出用以儲存光合作用產(chǎn)物(糖類)的器官,例如,根、莖、果實,這些儲存的有機物為動物的生存提供了食物。
待解決的問題:從CO2到糖類,中間發(fā)生了哪些化學(xué)反應(yīng)?需要什么條件?這些反應(yīng)和O2的產(chǎn)生是否有聯(lián)系?
2.2.3 對光合作用進化史的整合和過程猜想以組間交流為基礎(chǔ),各小組進行光合作用進化史的列表整合,并將各小組最后提出的問題進行合理猜想(表1)。
表1 光合作用進化史的探究總結(jié)及過程猜想
2.2.4 光合作用過程的構(gòu)建和光合作用意義的闡述 在完成列表的基礎(chǔ)上,小組結(jié)合教材和猜想,構(gòu)建光合作用過程的概念圖,闡述概念圖中光能是如何隨物質(zhì)變化被逐步儲存至糖類等有機物中,歸納光合作用產(chǎn)物對地球環(huán)境和生物生存的作用和意義。
2.2.5 光合作用項目式學(xué)習(xí)的小組評價 對小組學(xué)習(xí)活動分團隊合作、創(chuàng)新創(chuàng)造、批判性思維、展示技巧4 個部分進行評價(表2)[1]。
表2 項目式學(xué)習(xí)小組評價表
教師在學(xué)生的項目式學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn),融入了進化史的光合作用過程學(xué)習(xí),促進了學(xué)生對物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)變的主動探究,引發(fā)了其對物質(zhì)與能量之間關(guān)系的深度思考,真切地感悟到光合作用對地球和生命生存的重大意義。此外,在光合作用和進化史的融合學(xué)習(xí)中,學(xué)生對結(jié)構(gòu)與功能觀、進化與適應(yīng)觀也有了進一步的認(rèn)識。有些小組對地球某些時期高含氧量對昆蟲體型的影響、大型食植動物對植物形態(tài)的影響等課題產(chǎn)生了新的研究興趣,使項目式學(xué)習(xí)有了持續(xù)性和發(fā)展性。