摘 要 課程標準、教材及考試大綱都已將模型知識及建模方法作為新課程的基本內(nèi)容和能力考核的目標要求之一。生物教材也對運用模型方法教學內(nèi)容和途徑進行了滲透，但涉及“光合-呼吸”的建模教學較少呈現(xiàn)。本文試以“光合作用與細胞呼吸的關系”復習課為例，從構建概念模型、物理模型和數(shù)學模型三個方面，探討了模型方法在教學中的具體應用及課后反思。實踐表明：模型構建對學生宏觀把握知識，發(fā)展思維能力，透過現(xiàn)象抓住本質(zhì)具有積極的意義。
關鍵詞 生物學 模型 教學 光合作用 細胞呼吸
開展生物學的備考工作，如何突破束縛學生能力提升的瓶頸，化解教學中的重難點，是提高課堂教學效率的關鍵�！肮夂献饔门c細胞呼吸的關系”一課，作為代謝活動中物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換的經(jīng)典案例，是高中生物教學的重點，也是學生復習中的“軟肋”。在教學中，筆者通過構建由簡單到復雜，由具體到抽象的生物學模型，以合理的問題串為導引，創(chuàng)設認知水平訓練的教學情境，在一定程度上促成了學生由感性認識向理性認識的飛躍。
1 基于“光合-呼吸”模型建構的教學策略
1.1 概念模型，將零散的知識系統(tǒng)化
1.1.1 建�！魑镔|(zhì)與能量的轉(zhuǎn)變關系
新授課時，學生對光合作用和細胞呼吸的基本原理和過程已經(jīng)掌握，但二者之間的內(nèi)在聯(lián)系，實質(zhì)和意義的理解仍不夠透徹，這為構建概念模型創(chuàng)造了條件。首先，教師可以與學生共同回顧教材中細胞呼吸的方式及光合作用的探究歷程等相關內(nèi)容，進而出示P.93中圖5-9（有氧呼吸過程圖解）和P.103中圖5-15（光合作用的過程圖解），并引導學生抓住反應物與生成物轉(zhuǎn)變過程的重要特征，并關注物質(zhì)變化中伴隨的能量轉(zhuǎn)換形式，使學生理解兩種代謝過程的實質(zhì)在于物質(zhì)變化和能量的轉(zhuǎn)變，為模型構建（圖1）做好鋪墊。
圖1 概念模型
1.1.2 設問——強化模型意識，把握知識間的內(nèi)在聯(lián)系
教師可以通過CAI課件的形式，將上述模型中的物質(zhì)和能量變化的模型圖解依次呈現(xiàn)出來，或?qū)⒛Ｐ椭械牟糠治镔|(zhì)或能量進行局部挖空，讓學生選填內(nèi)容。并結(jié)合葉綠體和線粒體的結(jié)構，通過設置不同梯度的問題串展開設問，將學生的思維引向深入：⑴與光合作用和細胞呼吸相關的細胞結(jié)構有哪些？⑵兩個生理過程各分為幾個階段，依次是什么？⑶各個階段發(fā)生場所在哪里？⑷涉及哪些物質(zhì)的參與？有哪些物質(zhì)生成？⑸需要哪些條件？二者的影響因素有哪些？等等。經(jīng)過合作小組討論后，教師可以呈現(xiàn)如表1的表格，讓各小組中的代表歸納作答，經(jīng)各小組間的質(zhì)疑，補充完善，最后形成表1中的結(jié)論。
表 1
比較項目
細胞結(jié)構
發(fā)生場所
生理反應
物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換過程
光合作用
葉綠體
類囊體薄膜
光反應階段
光能→電能→活躍的化學能（ATP）
葉綠體基質(zhì)
暗反應階段
活躍的化學能→穩(wěn)定的化學能（有機物）
有氧呼吸
細胞質(zhì)基質(zhì)
第Ⅰ階段
葡萄糖（主要）→丙酮酸+4[H] +少量ATP
線粒體
線粒體基質(zhì)
第Ⅱ階段
丙酮酸+水→CO2+20[H] +少量ATP
線粒體內(nèi)膜
第Ⅲ階段
24[H]+O2→H2O+大量ATP
1.2 物理模型，將抽象的概念直觀化
1.2.1 建�！魑~綠體與線粒體的關系
通過概念模型的構建，學生對光合作用和呼吸作用兩個生理過程中的物質(zhì)和能量變化的實質(zhì)已經(jīng)掌握，系統(tǒng)性較強，但過程還是較為復雜繁瑣的，那么如何使抽象的概念能被直觀理解呢？實踐表明，通過“線粒體和葉綠體關系”的物理模型的構建可以有效的突破這一難點。分析上述概念模型不難發(fā)現(xiàn)，光合作用與細胞呼吸建立的聯(lián)系主要著眼于物質(zhì)中的CO2、O2、有機物和H2O。尤其是它們之間的轉(zhuǎn)變過程常常成為高考的熱點，因此抓住原型的重要特征進行物理模型的構建是學生理解該問題，并提升能力的關鍵。所構建的模型如圖2所示。
圖2 物理模型
1.2.2 設問——揭示生物現(xiàn)象，抓住本質(zhì)特征
在不同光照條件下，植物的光合作用是不同的，這就意味著CO2和O2的來源與去向會發(fā)生微妙的變化，進而影響光合作用強度與呼吸作用強度的大小。建構該模型的意圖，重點在于揭示光合作用強度同呼吸作用強度間的關系。因此，PPT展示圖2后，教師可由影響光合作用的重要因素——光照條件，作為設問的切入點展開教學。例如，在4種不同光照條件——黑暗時、弱光照、較強光照及強光照時，探討二氧化碳和氧氣的來源與去向如何？光合作用與呼吸作用強度大小怎樣？經(jīng)過合作小組討論后，教師可以呈現(xiàn)表格，讓各小組中的代表歸納作答，經(jīng)各小組間的質(zhì)疑，補充完善，最后形成表2中的結(jié)論。
表 2
光照條件
生理過程
氣體進出圖解
生物學含義
黑暗
⑤和⑥
只進行呼吸作用
弱光照
①②⑤⑥
光合速率小于呼吸速率
較強光照
①②
光合速率等于呼吸速率
強光照
①②③④
光合速率大于呼吸速率
1.3 數(shù)學模型，將邏輯的思維縝密化
1.3.1 建模——明晰橫坐標與縱坐標的含義
用數(shù)學坐標曲線方法分析有關光合作用知識，是對學生理性思維的進一步考察。不僅能了解學生對光合作用知識的掌握情況，更能培養(yǎng)學生的提取信息能力、分析能力和解題能力。最為常見的就是光強-光合速率坐標曲線，該模型是對上述概念模型和物理模型的延伸與拓展。教師可以先解釋坐標各點及段的生物學意義，然后探討坐標圖中點的移動問題，在分析此模型基礎的上可以采取變動橫縱坐標的含義的方式，來加深學生對影響光合作用不同因素的認識和理解。明確分析數(shù)學模型的著眼點在于清楚自變量與因變量的關系，按照曲線分析三部曲進行解讀，即“識標”、“ 明點”和“析線”。所見數(shù)學模型如圖3所示。
圖3 數(shù)學模型
1.3.2 設問——全面把握信息，解釋數(shù)學規(guī)律
首先，教師介紹各點段代表的生物學含義：A點光照強度為零，沒有光合作用，僅有呼吸作用；AB段，表示光合速率小于呼吸速率；B點為光補償點，光合速率等于呼吸速率；C點為光飽和點，C點之前，影響光合作用的主要因素是光照強度。BC段，光合速率大于呼吸速率，反映了光合作用中光反應階段的活性，C點之后反映了光合作用中暗反應階段的活性。然后進行適當?shù)耐卣梗喝纰湃魹槿辨V營養(yǎng)液，則引起B(yǎng)點如何移動（答案：右移）？⑵若適當升溫，將引起B(yǎng)點和D點分別如何移動（答案：右移 下移）？⑶若植物的類型由陽生改為陰生，則B點和D點分別如何移動（答案：左移下移）？經(jīng)過小組討論作答后，教師提醒該數(shù)學模型同線粒體和葉綠體關系模型的聯(lián)系在于幾個速率的關系。光合速率常以氧氣的吸收量或二氧化碳的釋放量或有機物的生產(chǎn)量表示。以二氧化碳表示為：CO2的吸收量表示總（實際）光合速率，CO2的釋放量表示呼吸速率。總光合速率與呼吸速率的關系可表示為：總（實際）光合速率=凈（表觀）光合速率+呼吸速率。這個關系式有三個衍生式：⑴光合作用實際產(chǎn)生的O2量=凈釋放的O2量+呼吸作用消耗的O2量；⑵光合作用實際消耗的CO2量=凈消耗的CO2量+呼吸作用產(chǎn)生的CO2量；⑶光合作用合成的C6H12O6量=積累的C6H12O6量+呼吸作用分解的C6H12O6量。
2 創(chuàng)設認知情境，有效達成模型的綜合分析能力
教師可以在學生完成模型構建任務后，創(chuàng)設一個綜合運用模型進行分析解決實際問題的情景，通過層層設疑，步步深入的問題，以達成本課題的教學目標，加深對知識的理解，提升學生對知識的靈活遷移運用和應變能力。
情景創(chuàng)設：取一植物形態(tài)、大小、生長發(fā)育狀況相同的四張葉片按如圖所示的裝置進行實驗，燒杯中的液體可以保證葉片所需的水與礦質(zhì)元素的正常供應，氣體的移動可以通過觀察油滴的運動判斷。(不考慮氣體在水中的溶解與外界氣壓的變化和蒸騰作用的影響)
（1）適宜的光照下，裝置A中油滴的移動情況是________，原因是_______________________________________________________________________。
（2）適宜的光照下短時間內(nèi)裝置B中油滴的移動情況是________。放置一段時間后，裝置中的O2消耗完，這時油滴的移動情況是________，寫出此時的反應方程式：________________。
（3）分析裝置C中的油滴移動情況與光合作用和呼吸作用的關系：________________________________________________________________________
________________。
（4）能否直接用C、D裝置證明光合作用需要CO2，為什么？________________。如果用B、C裝置證明光合作用需要CO2，應該將葉片進行怎樣的處理？________________。
（5）要測定葉片細胞呼吸的強度最好選擇裝置________。
（6）假設裝置A和B處于暗處進行實驗 ①當油滴a 當油滴b 時，說明酵母菌只進行有氧呼吸； ②當油滴a 當油滴b 時，說明酵母菌只進行無氧呼吸； ③當油滴a 當油滴b 時，說明酵母菌既進行有氧呼吸又進行無氧呼吸。
答案：(1)不移動 光合作用吸收的CO2體積等于釋放出的O2體積，呼吸作用吸收的O2體積等于釋放出的CO2的體積 (2)向左移動 不移動 C6H12O6 2C2H5OH(酒精)＋2CO2＋能量 (3)①當光合作用強度大于呼吸作用強度時，向右移動；②當光合作用強度等于呼吸作用強度時，不移動；③當光合作用強度小于呼吸作用強度時；向左移動(因為CO2緩沖液在CO2濃度低時可以釋放出CO2，而在濃度高時要吸收CO2，從而保證裝置內(nèi)CO2濃度的穩(wěn)定) (4)不能 不符合單一變量原則 饑餓處理 (5)D (6)①左移 不動 ②不動 右移 ③左移 右移。
3 關于生物建模教學的幾點反思
本課題嘗試運用模型建構的思想，對“光合-呼吸的關系”這一教學難點進行了針對性突破。
首先，教學設計由現(xiàn)象入手引導學生構建概念模型以深入理解“光合-呼吸”的本質(zhì)，為避免思維陷入復雜的物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)換關系之中，進而設計構建了物理模型讓學生從整體上認識和把握其實質(zhì)，已達到“既見樹木，又見森林”之效。當學生漸漸由感性思維向理性思維過度時，教師抓住這一契機進行數(shù)學模型的構建，最終達成對核心概念的認識由具體到抽象的飛躍。從有意義學習的角度看，既避免復習中舊知識重現(xiàn)時的“炒冷飯”現(xiàn)象，又促成了學生對基礎知識和基本方法的掌握，進而培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力、實踐能力和解決問題的能力。
其次，從建構主義學習視角看，通過設置特定的情景，學生沿著“知識-方法-能力”的主線，自主的去編碼和構建知識網(wǎng)絡，補充并完善了自身的知識體系，糾正了對知識的膚淺理解和錯誤認識。較為深刻地理解了科學、技術和社會的相互關系。例如設問新疆哈密瓜為什么比其他地區(qū)出產(chǎn)的甜等生活實例，幫助學生理解適當增大晝夜溫差可以促進作物的增產(chǎn)。再如若想使其他地區(qū)的哈密瓜更甜理論上你可以采取哪些措施等，進一步加深學生對知識同生產(chǎn)實際相聯(lián)系的重要意義，提高學生的生物學科素養(yǎng)，促進學生認知水平的發(fā)展。
再次，模型的建立過程就是一個科學探究的過程。學生應主動的去體驗和感受模型的內(nèi)在要素有哪些，要素間是如何有機地聯(lián)系在一起的。“光合-呼吸”間的變化遵循著怎樣的規(guī)律，原理是什么，在實際的生產(chǎn)和生活中用那些應用。讓學生感同身受，其實生物中蘊含的規(guī)律就在我們身邊！同時，生物建模充分調(diào)動了學生的積極性，發(fā)揮小組的團隊合作意識，突出了學生的主體地位。在師生互動，生生互動，師生協(xié)作，生生協(xié)作中較好的培養(yǎng)了學生的問題意識和探究意識。
誠然，模型的建立不是一蹴而就的，這需要教師在教學中有目的的滲透建模教學思維，挖掘高中生物課程中潛在的“模型”資源，為模型教學搭建一個嶄新的平臺。
注：文章發(fā)表于2011年《中學生物教學》第7期
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