朱素娟 朱曉燕

（1.福建省建甌第一中學 福建南平 353100）

（2.福建省南平市教師進修學院 福建南平 354200）

“光合作用過程原理”是新人教版高中生物《必修1·分子與細胞》第五章第四節(jié)“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”第二課時的內(nèi)容。光合作用是地球上最重要的化學反應，光合作用的概念及其應用是本模塊重點內(nèi)容。

新版高中生物教材從生活實際出發(fā)，創(chuàng)設真實情境，有助于學生自主構(gòu)建重要概念。教材圖文結(jié)合，將光反應與暗反應密切聯(lián)系，展現(xiàn)了在物質(zhì)變化中伴隨著能量變化，有助于學生理解和記憶。利用科學史為光合作用原理提供支撐，新版高中生物教材弱化關(guān)于光合作用研究歷史的時間線索，通過正文敘述和2個“思考·討論”形式，對光合作用關(guān)鍵實驗進行分析，實現(xiàn)用事實為概念建構(gòu)搭橋，在概念建構(gòu)過程中進行科學思維的訓練，有助于提升學生的物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

在初中階段，學生對光合作用的反應物、生成物及意義已經(jīng)有初步了解，但光反應和暗反應的具體過程比較陌生抽象，涉及較多分子機理（如NADPH、C3、C5等）深層次知識，還需要結(jié)合化學和物理學科知識，對高一的學生有一定的難度。因此，教師依據(jù)課程標準要求和學業(yè)水平要求確定教學目標，對光合作用科學史進行重構(gòu)，通過創(chuàng)設真情境、聚焦大概念、任務驅(qū)動法，引導學生從結(jié)果出發(fā)尋找證據(jù)，使學生增強證據(jù)意識，進而突破“光合作用過程原理”教學難點。學生通過自主構(gòu)建光合作用概念模型，能從結(jié)構(gòu)與功能相適應的角度理解光合作用發(fā)生的場所和過程，能從物質(zhì)和能量觀的視角，闡明光合作用過程中物質(zhì)變化與能量轉(zhuǎn)化的過程，說明光合作用的原理和意義；能夠利用光合作用的原理，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用提出有價值的建議。

1 創(chuàng)設真情境，領(lǐng)悟光合作用原理與生產(chǎn)實踐的關(guān)系

真情境下指向現(xiàn)實問題解決的深度學習，能增強現(xiàn)實感、使命感和意義感，促進學生對知識的理解與遷移，有利于學生對學科重要概念的建構(gòu)。

進行“光合作用過程原理”課堂教學時，教師首先讓學生觀看他們的實踐型生物課程——“玉米種植”的視頻，視頻中涵蓋學生整地、播種、澆水、松土、施肥、治蟲、除草、間苗、采摘等從玉米種植到收獲的100天生長歷程。學生的情緒被充分調(diào)動起來。教師順勢創(chuàng)設真情境解決真問題，提出本節(jié)課核心任務一：“玉米種植過密時為什么要進行間苗？有什么理論依據(jù)？”教師以此激發(fā)學生興趣引入光合作用原理的學習。在光合作用原理學習之后，圍繞視頻提出本節(jié)課核心任務二：“能否舉例說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還有哪些栽培措施可以影響作物的生理活動，促進作物的生長發(fā)育，達到增加產(chǎn)量等目的？”教師通過任務驅(qū)動，使學生始終處于積極的學習狀態(tài)，能主動利用學習資源進行自主學習，并能解釋影響光合作用過程中物質(zhì)變化與能量轉(zhuǎn)化的環(huán)境因素，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用提出有價值的建議，如合理密植、施農(nóng)家肥、間作套種、大棚種植需適當通風等措施。

“玉米種植”視頻再現(xiàn)學生真實的勞動場景，從真實勞動體驗中凝煉問題情境作為學生學習認知的背景，促進學生將生物學的概念、原理同現(xiàn)實生活中的問題、現(xiàn)象、經(jīng)驗聯(lián)系在一起，在關(guān)注、思考和決策的過程中鞏固和應用知識，充分發(fā)揮學生的主體性。學生在問題和興趣的驅(qū)動下主動思考，積極探索，培養(yǎng)科學的思維習慣，自主建構(gòu)生物學科重要概念——光合作用原理，并能夠利用光合作用的原理為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用提出有價值的建議。

2 重構(gòu)科學史，還原科學探究歷程，幫助學生深入理解光合作用的過程和實質(zhì)

科學史是研究生物學知識發(fā)生發(fā)展的歷史，其中包含了科學家研究過程及其過程中所持有的觀點和態(tài)度、生物學理論和方法的形成演變等?？茖W史蘊含著科學家的思維過程及科學探究過程，有助于培養(yǎng)學生的邏輯思維，形成科學探究的思路，掌握科學探究的基本方法。

光合作用是地球上最重要的化學反應。光能是如何發(fā)揮作用？O2來源于哪里?O2產(chǎn)生過程中能量是如何產(chǎn)生和傳遞的？CO2是如何轉(zhuǎn)化為糖類?影響光合作用效率的因素有哪些？筆者通過重構(gòu)科學史，創(chuàng)設問題情境，驅(qū)動學生主動學習，促進學生從結(jié)果出發(fā)，尋找證據(jù)，幫助學生理解科學的實質(zhì)、體會科學家思考和解決問題的方法，培養(yǎng)學生的科學論證思想。

2.1 探究光反應中氧氣的來源

教師提供英國植物學家希爾關(guān)于光合作用的實驗，并提出問題：Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+說明希爾實驗中產(chǎn)生了什么性質(zhì)的物質(zhì)？希爾實驗是否說明水的光解與糖類的合成不是同一個化學反應？希爾實驗能否說明植物光合作用產(chǎn)生的氧氣中的氧元素全部都來自水？教師從光合作用的產(chǎn)物——氧氣出發(fā)，引導學生分析該實驗的材料、條件、處理措施及結(jié)果，提出自己的猜想并加以論證，從而說明：希爾實驗產(chǎn)生還原性物質(zhì)，水的光解與糖類的合成不是同一個反應，光合作用產(chǎn)物氧氣與水有關(guān)。教師引發(fā)學生猜想光合作用產(chǎn)物氧氣可能來自水，從而使學生思考直接觀察測定推論可用的方法。

教師提供魯賓和卡門開展的光合作用實驗，引導學生思考：魯賓和卡門實驗用了什么科學方法？此方法有什么好處？該實驗自變量是什么？其他變量應如何處理？該實驗能得出什么結(jié)論？

2.2 探究光反應中光能的轉(zhuǎn)化

教師進一步提出問題：葉綠體吸收的光能能否轉(zhuǎn)變?nèi)鏏TP其他形式的能量，被細胞直接利用呢？并提供資料，并提出問題：1954年，美國生化學家阿爾農(nóng)用離體的葉綠體做實驗，同樣不提供二氧化碳。在給葉綠體照光時發(fā)現(xiàn)，當向反應體系中供給ADP、Pi和NADP＋（氧化型輔酶Ⅱ）時，會有ATP和NADPH（還原型輔酶Ⅱ）產(chǎn)生。實驗結(jié)果說明光能可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存在直接能源物質(zhì)ATP中，氫受體是什么？嘗試用示意圖表示ATP的合成與希爾反應的關(guān)系。

學生依據(jù)教師所提供的資料，構(gòu)建光反應過程，并在葉綠體結(jié)構(gòu)示意圖上標注光反應的場所、條件、物質(zhì)變化及能量轉(zhuǎn)化。

2.3 探究暗反應中CO2轉(zhuǎn)化為糖類的途徑

教師提供資料：20世紀40年代，美國科學家卡爾文將培養(yǎng)出來的多組小球藻置于密閉容器中，將14CO2注入容器，給予充足的光照，每隔一段時間（如3 s、5 s、30 s），將小球藻浸入熱乙醇溶液中，殺死并提取小球藻研磨液，分離并鑒定其中全部含14C的標記物。根據(jù)被14C標記的化合物出現(xiàn)時間的先后，推測生化過程。卡爾文向反應體系中充入一定量的14CO2，光照30 s后檢測產(chǎn)物，檢測到了多種帶14C標記的化合物。將光照時間逐漸縮短至幾分之一秒時發(fā)現(xiàn)，90%的放射性出現(xiàn)在一種三碳化合物（C3）中。在5 s的光照后，卡爾文等同時檢測到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。

教師指導學生關(guān)注：光照時間為30 s時，檢測到了多種帶標記的化合物，說明反應時間太長。當光照時間逐漸縮短至1 s以內(nèi)會發(fā)現(xiàn)，90%的放射性出現(xiàn)在一種三碳化合物（C3）中，可以據(jù)此推斷暗反應中第一個出現(xiàn)的產(chǎn)物。在光照5 s后，卡爾文等同時檢測到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。根據(jù)這一實驗結(jié)果，師生共同總結(jié)CO2轉(zhuǎn)化為糖類的途徑。

2.4 探究光反應的產(chǎn)物ATP和NADPH的作用

教師提供資料：卡爾文及其同事通過改變實驗條件，發(fā)現(xiàn)五碳化合物（C5）呈規(guī)律性變化：當停止CO2供應時，C3的濃度快速降低，C5的濃度快速升高；停止光照時，C3的濃度快速升高，C5的濃度快速降低。并引導學生分析實驗現(xiàn)象推斷光反應的產(chǎn)物ATP和NADPH是用于CO2轉(zhuǎn)變成C3過程，還是用于C3轉(zhuǎn)變成C5和C6過程。

教師促進學生理解科學發(fā)展離不開技術(shù)的支持，探索光反應和暗反應時都依靠了同位素標記法，并通過卡爾文花了近10年時間研究CO2的去向，引導學生置身于科學歷史的氛圍中體悟科學家鍥而不舍、堅持不懈的精神！

2.5 比較光反應與暗反應在物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系

教師展示光合作用過程中物質(zhì)變化的示意圖，引導學生嘗試說明光反應與暗反應在物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系。并引導學生總結(jié)歸納：光反應和暗反應緊密聯(lián)系，能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)變化密不可分，能量只可轉(zhuǎn)換，物質(zhì)尚可再循環(huán)。光反應階段，光能被葉綠體內(nèi)類囊體膜上的色素捕獲后，將水分解為O2和H+，形成ATP和NADPH，于是光能轉(zhuǎn)化成ATP和NADPH中的化學能；ATP和NADPH驅(qū)動在葉綠體基質(zhì)中進行的暗反應，將CO2轉(zhuǎn)化為儲存化學能的糖類。光合作用產(chǎn)生的有機物不僅供植物體自身利用，還養(yǎng)活所有的異養(yǎng)生物，光能驅(qū)動光合作用進而驅(qū)動生命世界的運轉(zhuǎn)。

教師通過重構(gòu)科學史，引導學會尊重事實和證據(jù)，進行學習小結(jié)，如圖1、圖2、圖3所示。

圖2 光反應階段光能轉(zhuǎn)化為化學能的論證過程

圖3 暗反應階段CO2轉(zhuǎn)化為C3再轉(zhuǎn)化為糖類的論證過程

3 運用思維可視化手段，促進學生對光合作用的整體認識，完善光合作用概念體系

思維是抽象的概念，思維可視化有利于呈現(xiàn)知識間的聯(lián)系，促進知識深入理解。思維可視化的技術(shù)手段較多，如概念圖、思維導圖、表格等。通過光合作用原理部分科學史資料的分析與論證，學生對光合作用有了整體的認知。為了能將思維可視化，增強知識的可視性，教師要求學生補充光合作用的概念圖（圖4），以進行學習檢測。

圖4 光合作用概念圖

對光合作用深度剖析后，教師利用概念圖，將零碎的知識片段連接成知識網(wǎng)絡，注重光合作用的內(nèi)涵與外延，引導學生感悟生命系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)與功能相適應、物質(zhì)與能量相伴隨、穩(wěn)態(tài)與平衡相吻合的生命觀念，促進學生思維的發(fā)展。

4 教學反思

本節(jié)課采用基于科學史的探究性學習，通過重構(gòu)科學史，關(guān)注學生思維進階發(fā)展，將科學探究中的問題以多種方式逐步呈現(xiàn)，不斷引發(fā)學生的認知沖突，激發(fā)學生的探究熱情，使學生領(lǐng)悟科學思想，自主構(gòu)建光合作用的概念，形成科學習慣，從而突破“光合作用過程原理”教學難點，提高了學生的思維能力，提升了學生的生物學學科核心素養(yǎng)。