對一道有關(guān)光合作用和細(xì)胞呼吸試題解析的商榷

新疆

光合作用和細(xì)胞呼吸相關(guān)知識是高考中的一個(gè)重要考查點(diǎn)。因此，與之相關(guān)的知識就成為了平時(shí)備考的重點(diǎn)，隨之涌現(xiàn)出了許多立意新穎、能力考查突出的高質(zhì)量試題。其中筆者遇到一道試題借助圖形，利用“似曾相識，實(shí)則不同”的意境，打破學(xué)生的思維定式，充分考查學(xué)生識圖、析圖、比較、推理的科學(xué)思維和靈活應(yīng)用知識的能力。然而，該題的原有解析嚴(yán)重影響了它的應(yīng)有價(jià)值，本文對這一試題的解析進(jìn)行探討，以供教師們商榷。

1.試題呈現(xiàn)

【例1】某科研小組為研究溫度對栽培植物生長的影響，在光照、CO2濃度及其他外界條件適宜且恒定的條件下，測得植物葉肉細(xì)胞凈光合速率及其在黑暗條件下呼吸速率的相對值如表；在不同溫度下該植物葉肉細(xì)胞間的CO2濃度相對值如圖1。下列敘述不正確的是 （ ）

表

圖1

A.該植物在溫度為30℃時(shí)，光合產(chǎn)物的積累最快

B.在40℃條件下，該植物葉肉細(xì)胞的胞間CO2濃度在圖中的c 點(diǎn)

C.若溫度為35℃時(shí)，每天交替進(jìn)行12 h 光照、12 h黑暗，該植物不能正常生長

D.圖中b、d 兩點(diǎn)表示光合作用速率等于呼吸作用速率

【答案】D

2.原有解析

2.1 第一種解析（網(wǎng)絡(luò)版）

分析圖1 可知溫度變化對該栽培植物生長的影響：胞間CO2濃度的相對值處在圖中的c 點(diǎn)時(shí)，該栽培植物的光合作用速率等于細(xì)胞呼吸速率；胞間CO2濃度的相對值處在圖中的d 點(diǎn)時(shí)，該栽培植物的凈光合速率最小。

表中數(shù)據(jù)表明：該植物在溫度為30℃時(shí)，凈光合速率相對值最大，光合產(chǎn)物的積累最快，A 正確；在40℃條件下，凈光合速率相對值為0，即光合作用速率等于細(xì)胞呼吸速率，葉肉細(xì)胞無CO2的吸收和釋放，故該植物葉肉細(xì)胞的胞間CO2濃度應(yīng)處在圖1 中的c 點(diǎn)，B 正確；若溫度為35℃時(shí)，凈光合速率相對值為3，呼吸速率相對值為4.5，每天交替進(jìn)行12 h 光照、12 h 黑暗，光合產(chǎn)物積累量=3×12 -4.5×12 ＜ 0，因此該植物不能正常生長，C 正確；圖1 表示在不同溫度下該植物葉肉細(xì)胞間的CO2濃度相對值，圖1 的c 點(diǎn)代表此時(shí)植物的光合作用速率等于細(xì)胞呼吸速率，D 錯(cuò)誤。

2.2 第二種解析

由表中數(shù)據(jù)可知：30℃時(shí)，該植物的凈光合速率相對值最大，光合產(chǎn)物的積累最快，A 正確；在40℃時(shí)，該植物的凈光合速率相對值為0，植物呼吸作用產(chǎn)生的CO2正好滿足光合作用的消耗，胞間CO2濃度維持相對穩(wěn)定，位于圖1 中的c 點(diǎn)，B 正確；溫度為35℃時(shí)，該植物的凈光合速率相對值為3，呼吸速率相對值為4.5，若每天交替進(jìn)行12 h 光照、12 h 黑暗，光合產(chǎn)物積累量=3×12-4.5×12 ＜0，因此該植物不能正常生長，C 正確；圖1 中的b 點(diǎn)表示植物開始進(jìn)行光合作用、d 點(diǎn)表示植物的光合作用停止，D 正確。

3.存在的問題

由上述兩種解析可以看出，二者對于表中數(shù)據(jù)及相關(guān)信息的分析、理解一致，但對圖1中曲線及曲線上點(diǎn)的分析、理解存在分歧。對于圖1 中d 點(diǎn)，第一種解析認(rèn)為d 點(diǎn)時(shí)該植物的凈光合速率最小，第二種解析認(rèn)為d 點(diǎn)表示植物的光合作用停止。凈光合速率最小是否等同于光合作用停止（光合速率為零）呢？其實(shí)不然。二者是否等同需要看題中具體條件，如通過例1 題干中信息“在光照、CO2濃度及其他外界條件適宜且恒定的條件下”“在不同溫度下該植物葉肉細(xì)胞間的CO2濃度相對值如圖1”，由此推出d點(diǎn)時(shí)植物仍能進(jìn)行光合作用?？梢?，例1 中植物的凈光合速率最小不等同于植物的光合作用停止（光合速率為零）。那么，上述兩種解析孰是孰非？圖1中每點(diǎn)的含義是什么？圖1 中曲線的變化該如何解釋？

4.試題分析

4.1 構(gòu)建模型，厘清原理

為了厘清在外界CO2濃度恒定的情況下，呼吸速率與光合速率的關(guān)系對細(xì)胞間及細(xì)胞內(nèi)CO2濃度大小的影響，構(gòu)建模型進(jìn)行分析，如圖2。

根據(jù)題干已知外界CO2濃度為一定值，且CO2的運(yùn)輸方向?yàn)橛筛邼舛认虻蜐舛冗\(yùn)輸，因此葉肉細(xì)胞是吸收CO2還是釋放CO2就取決于細(xì)胞內(nèi)CO2的濃度，即呼吸速率和光合速率的差值。結(jié)合圖2 可知，細(xì)胞間CO2濃度的變化量反映了凈光合速率的大小。當(dāng)呼吸速率等于光合速率時(shí)，細(xì)胞既不吸收CO2也不釋放CO2，故外界CO2濃度、細(xì)胞間CO2濃度、細(xì)胞內(nèi)CO2濃度關(guān)系為：A=B=C；當(dāng)呼吸速率大于光合速率時(shí)，細(xì)胞釋放CO2，故外界CO2濃度、細(xì)胞間CO2濃度、細(xì)胞內(nèi)CO2濃度關(guān)系為：A＞B＞C，且呼吸速率越大，A、B、C 三者的濃度差也越大，細(xì)胞釋放CO2的量越多；當(dāng)呼吸速率小于光合速率時(shí)，細(xì)胞吸收CO2，故外界CO2濃度、細(xì)胞間CO2濃度、細(xì)胞內(nèi)CO2濃度關(guān)系為：A＜B＜C，且光合速率越大，A、B、C 三者的濃度差也越大，細(xì)胞吸收CO2的量越多。

4.2 運(yùn)用原理，分析題圖

可根據(jù)圖2 分析圖1：圖1 中c 點(diǎn)時(shí)外界CO2濃度、細(xì)胞間CO2濃度、細(xì)胞內(nèi)CO2濃度關(guān)系為：A=B=C，故c 點(diǎn)時(shí)呼吸速率等于光合速率；圖1 中ac 段，細(xì)胞間CO2濃度小于外界CO2濃度，說明CO2會(huì)由外界擴(kuò)散到細(xì)胞間，故ac 段呼吸速率小于光合速率，且b 點(diǎn)時(shí)，光合速率與呼吸速率的差值最大，即凈光合速率最大；圖1 中ce 段，細(xì)胞間CO2濃度大于外界CO2濃度，說明CO2會(huì)由細(xì)胞間擴(kuò)散到外界，故ce 段呼吸速率大于光合速率，且d 點(diǎn)時(shí)，光合速率與呼吸速率的差值最小，即凈光合速率最小。

為什么會(huì)出現(xiàn)圖1 中的變化呢？這是因?yàn)樵谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)，隨著溫度的升高，細(xì)胞凈光合速率增大；當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，細(xì)胞凈光合速率達(dá)到最大；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，細(xì)胞光合速率減小，呼吸速率增大，凈光合速率減??；當(dāng)溫度過高時(shí)，細(xì)胞死亡，凈光合速率為0。如圖3 所示。

圖3 溫度對某植物光合速率和呼吸速率的影響（凈光合速率=真正光合速率-呼吸速率）

4.3 區(qū)分“相似”，提升思維

【例2】圖4 為某一因素對植物光合作用及細(xì)胞呼吸的影響，回答下列問題：

圖4

（1）若圖4 為密閉玻璃罩內(nèi)某植物在0～24 小時(shí)內(nèi)某氣體的含量變化，橫軸為時(shí)間，虛線A 為最初該氣體的含量。曲線變化反映了__________（填氣體）的含量變化，縱軸為_____________，能反映光合速率和呼吸速率相等的點(diǎn)是。e 點(diǎn)時(shí)，____________（填“有”或“無”）有機(jī)物積累，理由是______________________________________________。有機(jī)物積累最多的點(diǎn)是_______________________。

（2）若圖4 為不同溫度下某植物葉肉細(xì)胞間的CO2濃度的相對值，虛線A 為外界CO2濃度，則橫軸為__________。引起曲線ab 下降的原因是由于光合速率__________（填“大于”“等于”或“小于”） 呼吸速率，導(dǎo)致葉肉細(xì)胞__________ （填“吸收”或“釋放”）CO2，從而使葉肉細(xì)胞間的CO2濃度下降。能反映光合速率和呼吸速率相等的點(diǎn)是__________，凈光合速率最大和最小的點(diǎn)分別是_________________________。

【答案】（1）O2密閉玻璃罩內(nèi) O2的含量 b、d 有 e 點(diǎn)的O2多于初始，光合作用積累的有機(jī)物多于細(xì)胞呼吸消耗的有機(jī)物，故有有機(jī)物的積累 d

（2）溫度 大于 吸收 c b 和d

【解析】（1）若圖4 為密閉玻璃罩內(nèi)某植物在0 —24 小時(shí)內(nèi)某氣體的含量變化，橫軸為時(shí)間，0 點(diǎn)及之后一小段時(shí)間內(nèi)，該氣體含量逐漸減少，說明呼吸作用消耗所致，故曲線變化反映了O2的含量變化，縱軸為密閉玻璃罩內(nèi) O2的含量。由圖4 可知，光合速率和呼吸速率相等的點(diǎn)是b、d。e 點(diǎn)的O2多于初始，則光合作用積累的有機(jī)物多于細(xì)胞呼吸消耗的有機(jī)物，故有有機(jī)物的積累。b、d 之間有機(jī)物一直在積累，d 點(diǎn)以后細(xì)胞呼吸速率大于光合作用速率，有機(jī)物減少，故有機(jī)物積累最多的點(diǎn)是d。

（2）若圖4 為不同溫度下某植物葉肉細(xì)胞間的CO2濃度的相對值，則橫軸自變量為溫度。引起曲線ab 下降的原因是由于光合速率大于呼吸速率，導(dǎo)致葉肉細(xì)胞吸收CO2，從而使葉肉細(xì)胞間的CO2濃度下降。由前文可知，c 點(diǎn)時(shí)胞間CO2濃度等于外界CO2濃度，光合速率和呼吸速率相等，b 點(diǎn)時(shí)凈光合速率最大，d 點(diǎn)時(shí)凈光合速率最小。

5.啟示

（1）講題應(yīng)注重方法，授學(xué)生以“漁”

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》明確指出:學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。因此，教師需要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維習(xí)慣和能力、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識解決問題的能力，才能真正落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)并逐步形成關(guān)鍵能力，從而更好地實(shí)現(xiàn)生物學(xué)科的育人價(jià)值。

（2）講題應(yīng)注重知識的運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維

通過對本文中例1 的分析可以看出，在講解習(xí)題時(shí)，注重對已有知識的運(yùn)用，如根據(jù)已有知識“CO2由高濃度向低濃度運(yùn)輸”及題中信息“外界CO2濃度為一定值”，可分析出細(xì)胞間CO2濃度變化的原因，也就是細(xì)胞是吸收還是釋放CO2取決于細(xì)胞內(nèi)CO2的濃度，即呼吸速率相對值和光合速率相對值的差值。然后建立模型或歸納概括形成新的認(rèn)知或原理，從而解決新的問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。對于“似曾相識”的試題，教師更應(yīng)注重比較、分析和推理，不能靠經(jīng)驗(yàn)武斷處理，掉入陷阱，而是要運(yùn)用已有認(rèn)識利用科學(xué)思維構(gòu)建出新的認(rèn)識，以便打破思維定式，做到全面、細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乜茖W(xué)分析和論證，從而更好地解決問題。