例談柱形圖在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

徐 彤

(江蘇省無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué) 214123)

數(shù)學(xué)模型是用來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng)性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式，常見(jiàn)的有公式、表格、坐標(biāo)曲線圖、餅狀圖、柱形圖等。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，利用數(shù)學(xué)模型既可以對(duì)高中生物學(xué)的某些知識(shí)進(jìn)行高度概括凝練，也可以用來(lái)作為培養(yǎng)學(xué)生理解能力、邏輯推理能力的重要載體。其中柱形圖的輔助教學(xué)效果尤顯獨(dú)特。有研究表明，人類肉眼對(duì)不同物體的高度差異很敏感，柱形圖將二維數(shù)據(jù)集合在平面坐標(biāo)系中進(jìn)行了最直觀的演繹，具有直觀易懂、簡(jiǎn)便易畫、辨識(shí)效果好等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中,柱形圖至少在以下三方面優(yōu)勢(shì)明顯。

1 破解新課教學(xué)難點(diǎn)

針對(duì)高中生物學(xué)教學(xué)中的一些需要學(xué)生理解的數(shù)量關(guān)系，結(jié)合柱形圖適量提供一些直觀的學(xué)習(xí)情境，能夠起到強(qiáng)化學(xué)生感知、鞏固認(rèn)知效果的作用。

1.1 “葉綠體中色素的種類”的教學(xué) 教材中對(duì)包括四種主要色素的數(shù)量闡述為：共含有四種色素，其中葉綠素約占3/4。在實(shí)驗(yàn)“葉綠體中色素的提取和分離”中提示學(xué)生關(guān)注“濾紙條上色素帶的數(shù)量、排序和帶寬”。由于實(shí)驗(yàn)個(gè)體差異的存在，每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一定會(huì)存在差異。這時(shí)候，教師一方面可以選擇展示效果典型的濾紙條供學(xué)生觀察，另一方面可提供一張層析現(xiàn)象中不同色素?cái)?shù)量的柱形圖(圖1)。

圖1 葉綠體色素的種類

教師指導(dǎo)語(yǔ)：以“點(diǎn)樣處”為起點(diǎn)，距離越遠(yuǎn)的位置表示擴(kuò)散的速度越快，而色帶的平均寬度可以通過(guò)不同高低的立柱表示出來(lái)，高度反映出每種色素的相對(duì)含量。于是“葉綠體中含有四種色素”“葉綠素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于類胡蘿卜素”等內(nèi)容便一目了然了。

1.2 “生長(zhǎng)素作用的兩重性”的教學(xué) 在學(xué)習(xí)過(guò)程中，不少學(xué)生對(duì)于兩重性理解不夠透徹，有的還會(huì)誤以為抑制作用就是使得植物“不生長(zhǎng)”甚至“萎縮”。盡管教師可以運(yùn)用“物極必反”的類比來(lái)幫助學(xué)生理解生長(zhǎng)素濃度過(guò)高對(duì)植物細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制影響，但對(duì)“抑制作用究竟是如何體現(xiàn)”需要有更加直觀的情境。此時(shí)如果教師能夠適時(shí)提供一張不同濃度生長(zhǎng)素(類似物)對(duì)植物生長(zhǎng)影響的柱形圖(圖2)，學(xué)生完全能夠從作用效果的角度對(duì)抑制作用有較清晰的理解。

圖2 不同濃度2，4-D對(duì)插條生根的影響

教師指導(dǎo)語(yǔ)：圖2可見(jiàn)，“空白對(duì)照組”(蒸餾水組)中未額外添加激素(類似物)，其中的插條仍然有一定的生根數(shù)量；在實(shí)驗(yàn)組中插條生根數(shù)量少于對(duì)照組的是“1000 mg/L”組。在諸多實(shí)驗(yàn)組中，這一組就屬于濃度過(guò)高造成的抑制作用，所以抑制作用可以表述為“對(duì)原本正常生長(zhǎng)(如生根)的阻止或干擾”。植物最后生長(zhǎng)情況取決于各種激素在促進(jìn)與抑制兩方面作用的綜合結(jié)果。

2 優(yōu)化學(xué)生解題能力

在生物學(xué)科中常有一些需要學(xué)生對(duì)紛雜的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行梳理的習(xí)題，這其中有部分題型是適合用柱形圖來(lái)進(jìn)行分析的。借助柱形圖演示，可以將不同生理過(guò)程中的數(shù)量進(jìn)行疊加或消減，進(jìn)而能夠改善對(duì)其中的數(shù)量變化的理解，起到事半功倍的作用。

例題1 將某植物形態(tài)、大小、生理狀況相同的綠葉分成4等分。在不同溫度下分別先暗處理1 h，然后用相同且適當(dāng)?shù)墓庹照丈? h，測(cè)其干物質(zhì)重量變化(假設(shè)在光照和黑暗條件下，細(xì)胞呼吸消耗有機(jī)物相同)，得到表數(shù)據(jù)。請(qǐng)據(jù)表回答下列問(wèn)題：

表1 實(shí)驗(yàn)處理后，綠葉干物質(zhì)的重量變化

(1) 28℃時(shí)綠葉積累有機(jī)物________mg/h。

(2) 30℃光合作用合成有機(jī)物________mg/h。

解析：由于學(xué)生不能很好地理解“光照后與暗處理前重量變化”的含義，進(jìn)而容易忽略“暗處理1小時(shí)導(dǎo)致有機(jī)物的消耗”。如果將表格中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成有疊加變化的柱形圖就能夠?qū)⑵渲械臄?shù)值關(guān)系變得直觀清晰。

教師指導(dǎo)語(yǔ)：以第2組(28℃)為例：“先暗處理1 h，重量減少2 mg；再給予光照1 h，葉片的重量比暗處理之前增加3 mg”。據(jù)此可以繪制出相應(yīng)數(shù)量關(guān)系的柱形圖(圖3)。由圖分析可知光照處理1 h使得葉片的質(zhì)量?jī)粼黾恿? mg，進(jìn)一步推算可知，這一小時(shí)里光合作用實(shí)際合成有機(jī)物的質(zhì)量為：(3+2)(1小時(shí)積累的有機(jī)物)+2(1小時(shí)中呼吸作用分解的有機(jī)物)=7 mg 。

圖3 兩次實(shí)驗(yàn)后葉片重量的變化

例題2 正常人體從溫暖處進(jìn)入一個(gè)寒冷環(huán)境中，身體會(huì)發(fā)生一系列的變化。這些變化不包括。

A. 皮膚血管舒張，增加皮膚的血流量

B. 立毛肌收縮

C. 汗液分泌增加

D. 細(xì)胞代謝活動(dòng)增強(qiáng)

解析：此題容易出現(xiàn)漏選的情況：一方面是學(xué)生對(duì)選項(xiàng)中每種變化的作用機(jī)理不十分清楚，另一方面學(xué)生對(duì)于恒溫動(dòng)物一般總能“將產(chǎn)熱與散熱保持相對(duì)平衡”中產(chǎn)熱與散熱環(huán)節(jié)的組成要素理解不透徹。

教師指導(dǎo)語(yǔ)：引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)研究圖4，嘗試從體溫平衡入手分析進(jìn)入寒冷環(huán)境中人體內(nèi)散熱/產(chǎn)熱量發(fā)生變化的原因。

圖4 進(jìn)入寒冷環(huán)境中人體產(chǎn)/散熱的變化

思考一：兩種環(huán)境條件下，正常人體的體溫都能保持恒定嗎？(能，因?yàn)楫a(chǎn)熱與散熱處于平衡狀態(tài))；思考二：在寒冷環(huán)境中散熱量會(huì)明顯增加，但是如果減去因?yàn)榄h(huán)境溫度明顯降低所增加的散熱量以外，人體通過(guò)原有散熱方式和途徑散失的熱量反而是減少的(圖4)，其原因有哪些？(皮膚血管收縮以減少皮膚血流量、立毛肌收縮減小了用于散熱皮膚的表面積，汗腺分泌汗液減少，三者都能使得散熱量減少)；思考三：機(jī)體增加產(chǎn)熱源自哪些途徑？(骨骼肌收縮，激素調(diào)節(jié)促進(jìn)細(xì)胞加強(qiáng)代謝等)；所以最終確定的答案選AC。

3 練習(xí)試題的編制

在編制試題的時(shí)候，柱形圖能在直觀中“包含”“隱藏”數(shù)據(jù)信息，起到訓(xùn)練學(xué)生思維、提升學(xué)科素養(yǎng)的作用。

例題3 圖5表示某植物的葉肉細(xì)胞在光照強(qiáng)度分別為A、B、C、D時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)葉肉細(xì)胞CO2釋放量和葉綠體O2產(chǎn)生總量的變化。請(qǐng)據(jù)圖分析回答：

(1)光照強(qiáng)度為B時(shí)，該葉片細(xì)胞光合作用速率______(填<、=、>)呼吸作用速率。

(2)光照強(qiáng)度為C時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)該葉肉細(xì)胞從周圍環(huán)境吸收________單位的二氧化碳。

(3)已知該葉肉細(xì)胞光合作用和呼吸作用的最適溫度分別為25℃和30℃，在其他條件不變的情況下，將溫度調(diào)節(jié)到30℃，則圖5中C對(duì)應(yīng)的柱狀體高度將______(升高、縮短)。

解析：這道題目不僅需要考查學(xué)生關(guān)于光合作用和呼吸作用的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)也考查了當(dāng)環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)對(duì)兩者動(dòng)態(tài)關(guān)系的辨析能力。題中提供的柱形圖中在B光照強(qiáng)度有意設(shè)“疑”——兩個(gè)圖形高度相同，如果學(xué)生概念模糊就容易誤以為是“呼吸作用強(qiáng)度與光合作用強(qiáng)度相等”。首先需要引導(dǎo)學(xué)生弄清兩種不同柱形的含義：“(單位時(shí)間內(nèi))葉綠體產(chǎn)生O2數(shù)量”一定代表了總光合作用速率；“(單位時(shí)間內(nèi))葉肉細(xì)胞釋放CO2數(shù)量”代表凈光合作用速率(因?yàn)槿~肉細(xì)胞中同時(shí)含有吸收二氧化碳的葉綠體和釋放二氧化碳的線粒體)。其次找到切入點(diǎn)A，此處缺少了“葉綠體產(chǎn)生氧氣”柱形，唯一的解釋就是此處沒(méi)有光照，于是就可以得出“此時(shí)只發(fā)生呼吸作用”的結(jié)論。該柱形的數(shù)值即為呼吸作用速率。另一個(gè)切入點(diǎn)是C或D，根據(jù)這兩處缺少細(xì)胞釋放二氧化碳的柱形可以斷定呼吸作用速率不可能大于光合作用速率。其中只有C處與A處柱形數(shù)值相等——光合作用速率等于呼吸作用速率。 至于小題(3)中溫度提升至30℃，根據(jù)題意會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)“呼吸作用速率上升”“光合作用速率下降”，于是凈光合作用速率會(huì)出現(xiàn)下降，即C處柱形會(huì)“縮短”。

參考答案：(1)< (2)0 (3)縮短。

圖5 不同光照下O2及CO2釋放量的變化

例題4 (2014安徽高考題，部分) 某課題小組研究紅光和藍(lán)光對(duì)花生幼苗光合作用的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示(注：氣孔導(dǎo)度越大，氣孔開放程度越高)。據(jù)圖分析回答： 與15 d幼苗相比，30 d幼苗的葉片凈光合速率________。與對(duì)照組相比，________光處理組的葉肉細(xì)胞對(duì)CO2的利用率高，據(jù)圖分析，其原因是________。

圖6 紅光和藍(lán)光對(duì)花生幼苗光合作用的影響

解析：本題考查的是關(guān)于不同波長(zhǎng)的光照對(duì)于光合作用的影響。紅光和藍(lán)光都屬于植物在光合作用過(guò)程中重要的能量來(lái)源，兩種光的作用基本原理的差異需要通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究，本題題干設(shè)置的情境就是一個(gè)對(duì)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的良好范例。引入柱形圖記錄和展示實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，顯得簡(jiǎn)潔、直觀，大大降低了學(xué)生理解和分析的難度。在組成白光的各種波長(zhǎng)可見(jiàn)光中，紅光和藍(lán)(紫)光是被綠色植物光合作用吸收最多的兩種光，本題目涉及的實(shí)驗(yàn)課題就是這兩種光發(fā)揮作用的原理有什么不同。題干三張圖各自提供了一組數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)①三種光照下的凈光合作用速率(圖6-A)，藍(lán)光光照下數(shù)值最高；數(shù)據(jù)②三種光照下葉片氣孔導(dǎo)度(圖6-B)，紅光最弱，藍(lán)光最強(qiáng)；數(shù)據(jù)③胞間二氧化碳濃度(圖6-C)，藍(lán)光光照下最低。 其中，數(shù)據(jù)②與數(shù)據(jù)③的數(shù)據(jù)看似有些矛盾：數(shù)據(jù)②中藍(lán)光照射下氣孔導(dǎo)度最高，意味著能為光合作用吸收更多的二氧化碳，而數(shù)據(jù)③卻顯示細(xì)胞間二氧化碳濃度偏低。所以這兩組數(shù)據(jù)間的關(guān)系很可能是：藍(lán)光照射下植物一方面能夠從空氣中吸收更多的二氧化碳，另一方面暗反應(yīng)也更強(qiáng)(轉(zhuǎn)化二氧化碳)。而這種推測(cè)與數(shù)據(jù)①對(duì)光合作用速率的檢測(cè)結(jié)果正好吻合。

參考答案：高 藍(lán) 藍(lán)光促進(jìn)了氣孔開放，CO2供應(yīng)充分，暗反應(yīng)加快。