基于模型構(gòu)建的教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：本文以“光合作用過程”相關(guān)教學(xué)為例，介紹利用科學(xué)史資料引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型構(gòu)建的教學(xué)設(shè)計(jì)。筆者以物質(zhì)與能量觀為思維主線，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建光合作用過程的模型，并通過引用科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)修訂和完善模型，從而促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：光合作用；模型與建模；科學(xué)思維

文章編號：1003-7586（2024）11-0019-04 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“光合作用過程”內(nèi)容位于浙科版普通高中教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第三章第五節(jié)。該部分內(nèi)容的教學(xué)核心是光反應(yīng)、碳反應(yīng)過程中的物質(zhì)與能量變化。在學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了簡單的光合作用知識的基礎(chǔ)上，教師從物質(zhì)與能量觀角度進(jìn)一步展開光合作用的相關(guān)教學(xué)。

光合作用的發(fā)現(xiàn)過程包含有大量的科學(xué)史實(shí)驗(yàn)，能夠作為課堂教學(xué)的優(yōu)良素材。實(shí)驗(yàn)中所呈現(xiàn)的觀察事實(shí)的角度、思考問題的方式和探究解決問題的方法，均體現(xiàn)了研究人員科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S過程。真正的科學(xué)史實(shí)驗(yàn)是科學(xué)家們經(jīng)過無數(shù)次思考和實(shí)驗(yàn)的證實(shí)形成的。教材中往往只呈現(xiàn)系列實(shí)驗(yàn)中的部分關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)，若教師將教材中呈現(xiàn)的科學(xué)史實(shí)驗(yàn)作為孤立的材料進(jìn)行教學(xué)，容易導(dǎo)致學(xué)生站在現(xiàn)代科技的視角進(jìn)行思考，難以真正體會到科學(xué)史實(shí)驗(yàn)中的不確定性和探索過程的艱辛，從而限制了學(xué)生思維的廣度和深度，使其陷入固定的思維路徑中。

構(gòu)建模型是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的有效方式之一，本節(jié)課以構(gòu)建光合作用過程的模型為核心，以科學(xué)史實(shí)驗(yàn)為案例，以物質(zhì)和能量變化為教學(xué)主線開展教學(xué)，具體教學(xué)路徑如圖1所示。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過小組合作探究活動，運(yùn)用模型與建模能力闡明光反應(yīng)的過程，并能以過程模型的形式表達(dá)，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法；通過小組合作，培養(yǎng)合作交流能力、建模能力。

（2）通過閱讀科學(xué)史資料，感受科學(xué)家的科學(xué)思維，運(yùn)用歸納演繹法，闡明碳反應(yīng)的過程，并能以過程模型的形式表達(dá)；發(fā)展物質(zhì)與能量觀，結(jié)構(gòu)與功能觀。

（3）通過演繹與推理，闡明光反應(yīng)和碳反應(yīng)的聯(lián)系；發(fā)展物質(zhì)與能量觀，穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師創(chuàng)設(shè)情境：以袁隆平為首的廣大育種學(xué)家為了國家的糧食安全艱辛工作，成果斐然。

教師提出問題：育種的目的是什么？水稻中的有機(jī)物來自什么過程？學(xué)生根據(jù)儲備的知識和生活經(jīng)驗(yàn)，思考育種的目的及有機(jī)物的來源和過程。然后教師提出本節(jié)課的核心問題：光合作用是如何利用光能生成氧氣和糖類的？

設(shè)計(jì)意圖：教師圍繞育種的目的引導(dǎo)學(xué)生展開討論，幫助學(xué)生形成“糧食安全是國家根本”的認(rèn)識，借助海寧本地的水稻產(chǎn)業(yè)，強(qiáng)化學(xué)生本土情懷，同時引出本節(jié)課的核心問題。

3.2 光反應(yīng)過程模型構(gòu)建

3.2.1 光反應(yīng)過程初探

材料一：將類囊體懸浮液放入試管①和試管②中。在不同光照條件下培養(yǎng)一段時間后，試管①中藍(lán)色逐漸消失，并產(chǎn)生了氧氣；試管②無任何變化（見圖2）。

材料二：DCIP是一種藍(lán)色染料，在結(jié)合H＋和電子后，被還原成無色物質(zhì)。

教師提出問題：試管①中培養(yǎng)液為什么會發(fā)生從藍(lán)色到無色的顏色變化？氧氣是如何產(chǎn)生的？光照下類囊體膜上發(fā)生的物質(zhì)變化和能量變化有哪些？

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過分析材料中的信息，能夠得出氧氣是由水分解產(chǎn)生的，同時產(chǎn)生的H＋和電子能將DCIP還原，使培養(yǎng)液從藍(lán)色變?yōu)闊o色，該反應(yīng)需要吸收光能來實(shí)現(xiàn)。學(xué)生經(jīng)過分析，總結(jié)出物質(zhì)變化路線和能量變化路線。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生基于材料一和二中的事實(shí)證據(jù)，通過對比和論證得出相應(yīng)結(jié)論，體會了基于事實(shí)推測機(jī)制的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)了自身的科學(xué)思維能力。教師根據(jù)材料引出本節(jié)課的教學(xué)主線“光合作用過程中的物質(zhì)變化和能量變化”，為后續(xù)教學(xué)的順利開展奠定基礎(chǔ)。

3.2.2 光反應(yīng)過程模型初構(gòu)

物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀和穩(wěn)態(tài)與平衡觀是生命觀念中的三個重要觀念，是學(xué)生在學(xué)習(xí)光合作用過程中的培養(yǎng)目標(biāo)。通過之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)具有從物質(zhì)和能量變化角度理解光合作用的科學(xué)思維能力，教師據(jù)此要求學(xué)生從物質(zhì)與能量觀的角度完成光反應(yīng)過程的模型構(gòu)建。

材料三：研究人員在類囊體處發(fā)現(xiàn)了ATP、ADP、Pi、NADP＋和NADPH等物質(zhì)，這些物質(zhì)與類囊體處進(jìn)行的光反應(yīng)有關(guān)。

學(xué)生依據(jù)材料信息，結(jié)合已有知識，通過小組合作完成光反應(yīng)過程模型的初步構(gòu)建。通過之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步了解到水在光下會分解產(chǎn)生氧氣、氫離子和電子，同時在類囊體處可能存在相應(yīng)的受體。但對于光能被光合色素吸收后的轉(zhuǎn)化路線，學(xué)生仍有不同的推測，教師將其總結(jié)歸納為兩種模型（見圖3）。

模型A：

能量變化：光能→ATP中的化學(xué)能→NADPH中的化學(xué)能

模型B：

能量變化：光能→NADPH中的化學(xué)能→ATP中的化學(xué)能

在學(xué)生構(gòu)建模型的過程中，教師不進(jìn)行任何干預(yù)，且不對學(xué)生構(gòu)建的模型進(jìn)行正誤評判，而是給予學(xué)生足夠的空間和時間，引導(dǎo)其依據(jù)已有的知識儲備進(jìn)行構(gòu)建。

3.2.3 光反應(yīng)過程模型再構(gòu)

材料四：研究人員在含類囊體的培養(yǎng)液中添加不同的物質(zhì)，提供適宜光照后，檢測培養(yǎng)液中存在的物質(zhì)。

教師在學(xué)生初構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)其依據(jù)材料四的相關(guān)信息，修訂小組構(gòu)建的光反應(yīng)過程模型和能量變化過程。在學(xué)生完成方案修訂后，教師選擇具有代表性的小組展示光反應(yīng)過程模型，并闡述模型構(gòu)建的依據(jù)，然后在班級中展開對模型的論證、修訂并完善光反應(yīng)過程模型，最后獲得統(tǒng)一且正確的光反應(yīng)過程模型。

設(shè)計(jì)意圖：基于物質(zhì)和能量觀的模型構(gòu)建和問題探討，能夠使學(xué)生更好地掌握光反應(yīng)過程中的物質(zhì)與能量變化。如果教師將科學(xué)史實(shí)驗(yàn)直接展現(xiàn)在學(xué)生面前，雖然能讓學(xué)生更快速地構(gòu)建正確的光反應(yīng)過程模型，但會限制學(xué)生的思維寬度和深度，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。教師在一定的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上，讓學(xué)生通過小組合作的方式構(gòu)建光反應(yīng)過程模型。在此基礎(chǔ)上，教師將科學(xué)史實(shí)驗(yàn)展示在學(xué)生面前，能夠讓學(xué)生對初構(gòu)的模型進(jìn)行修訂和完善，符合科學(xué)探究的一般過程。

3.3 碳反應(yīng)過程模型構(gòu)建

3.3.1 光反應(yīng)與碳反應(yīng)的關(guān)系探討

材料五：設(shè)置試管③～⑥，如圖4所示。一段時間后，在試管⑤和⑥中檢測到了糖類。

教師提出問題：通過多個試管的對照，可以得出什么結(jié)論？光反應(yīng)為碳反應(yīng)提供了什么原料，這些原料的作用是什么？二氧化碳是如何轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑模?/p>

學(xué)生提取材料信息，通過思考與討論得出相應(yīng)的結(jié)論：試管③～⑥的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明葉綠體基質(zhì)可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖，該過程需要光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH提供能量。

設(shè)計(jì)意圖：依據(jù)光合作用的總方程式，學(xué)生了解到ATP和NADPH并不是光合作用的最終產(chǎn)物，并由此思考光反應(yīng)中固定的能量及產(chǎn)生的物質(zhì)如何在糖的生成過程中發(fā)揮作用。通過光反應(yīng)過程模型的構(gòu)建，學(xué)生已經(jīng)具有物質(zhì)和能量觀，并能夠以此為基礎(chǔ)理解光合作用的過程。學(xué)生通過對科學(xué)史實(shí)驗(yàn)的探討以及小組合作，能夠解決實(shí)驗(yàn)問題，提高學(xué)習(xí)成就感。

3.3.2 糖生成過程模型構(gòu)建

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀材料，展開小組合作，構(gòu)建碳元素轉(zhuǎn)移路徑模型。

材料六：1946年開始，卡爾文（M. E. Calvin）及其同事利用¹⁴C標(biāo)記二氧化碳和小球藻，進(jìn)行碳反應(yīng)過程探究實(shí)驗(yàn)。

教師提出任務(wù)：用磁吸片和箭頭在白板上構(gòu)建糖的生成過程，并標(biāo)注ATP和NADPH的消耗位點(diǎn)。

學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠推出碳元素的轉(zhuǎn)移路徑（見圖5），但不同小組對ATP和NADPH的消耗位點(diǎn)存在不同認(rèn)識，圖中的①-③位點(diǎn)均有小組提到。

CO2①三碳酸②三碳糖③葡萄糖

設(shè)計(jì)意圖：教師展示卡爾文循環(huán)的探究實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生通過小組合作完成碳元素轉(zhuǎn)移路徑的模型構(gòu)建。學(xué)生在其中發(fā)現(xiàn)科學(xué)的快樂，體驗(yàn)知識的發(fā)生、發(fā)展過程，既加深了對知識的理解，又提升了科學(xué)探究能力，從而更好地理解科學(xué)本質(zhì)。^［1］

3.3.3 二氧化碳受體和ATP、NADPH消耗位點(diǎn)的探究

材料七：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在葉綠體基質(zhì)中存在五碳糖。將含有離體葉綠體的培養(yǎng)液放置在適宜光照下并通入二氧化碳。一段時間后停止通入二氧化碳并檢測基質(zhì)中的五碳糖和三碳酸的含量變化。科學(xué)家重復(fù)試管⑥實(shí)驗(yàn)，檢測三碳酸、三碳糖等物質(zhì)的變化情況。

教師提出任務(wù)：依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，判斷二氧化碳的受體和ATP、NADPH的消耗位點(diǎn)。

學(xué)生通過分析材料中的相關(guān)信息，結(jié)合之前構(gòu)建的碳元素轉(zhuǎn)移路徑模型，得出：五碳糖是二氧化碳的受體；五碳糖在結(jié)合二氧化碳后，形成三碳酸，并在ATP和NADPH的作用下還原成三碳糖。教師在學(xué)生結(jié)論的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充，最終得到完整的卡爾文循環(huán)過程。

設(shè)計(jì)意圖：教師進(jìn)一步展示科學(xué)史實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過小組合作完成碳反應(yīng)的模型構(gòu)建，進(jìn)一步推演科學(xué)史實(shí)驗(yàn)的過程，理解科學(xué)進(jìn)步不是一蹴而就的，而是在大量的實(shí)驗(yàn)與探究的過程中循序漸進(jìn)的。

3.4 基于光合作用過程的水稻產(chǎn)量提升措施探討

教師引導(dǎo)學(xué)生基于“光合作用過程”的相關(guān)知識，討論得出：育種提高光合作用產(chǎn)量的本質(zhì)是改善植物光合作用的內(nèi)在條件。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過設(shè)置討論，一方面對學(xué)生本節(jié)課的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評價(jià)，另一方面引出學(xué)生對后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的初步思考，同時進(jìn)一步提升學(xué)生對科學(xué)育種的興趣和保障國家糧食安全的社會責(zé)任意識。

4 教學(xué)反思

科學(xué)思維是學(xué)生智力發(fā)展的目標(biāo)，也是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)容之一。本節(jié)教學(xué)中，教師通過對教材內(nèi)容的解析與組織，以光合作用中的物質(zhì)和能量變化為教學(xué)主線，利用科學(xué)史實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生思維和建模過程中的依據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建光合作用過程模型，使其在完善模型的過程中感悟科學(xué)家的思維過程。

教師在實(shí)踐過程中，要深度研究教材，精心設(shè)計(jì)活動，避免出現(xiàn)兩個問題：一是將時間和精力耗費(fèi)在無足輕重的細(xì)節(jié)上，背離了構(gòu)建模型的核心目的；二是過分依賴科學(xué)史實(shí)驗(yàn)材料，忽視學(xué)生的思維能動性。

參考文獻(xiàn)

［1］劉沖.基于科學(xué)史和探究的“光合作用的過程”教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.中學(xué)生物學(xué)，2021，37（5）：72-74.