運用模型建構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維核心素養(yǎng)
——以“光合作用和細(xì)胞呼吸”復(fù)習(xí)課為例

（江蘇省奔牛高級中學(xué) 江蘇常州 213131）

科學(xué)思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力。例如，能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用歸納與概括、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)社會議題。在高中生物復(fù)習(xí)教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生通過模型建構(gòu)和應(yīng)用模型來解決問題，可以將復(fù)雜的問題簡單化，抽象的問題形象化，有助于提升學(xué)生的科學(xué)思維。生物學(xué)中常見的模型包括物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等。下面以高中生物“光合作用和細(xì)胞呼吸”的復(fù)習(xí)為例，探討模型建構(gòu)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維過程中的應(yīng)用。

1 建構(gòu)物理模型，找尋光合作用和細(xì)胞呼吸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

光合作用和細(xì)胞呼吸是細(xì)胞能量代謝的兩個重要的生理過程，其生命活動的進(jìn)行離不開一定的物質(zhì)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在復(fù)習(xí)光合作用和細(xì)胞呼吸時，教師通過設(shè)置問題串來引發(fā)學(xué)生的思考：①光合作用和細(xì)胞呼吸分別發(fā)生在綠色植物的什么結(jié)構(gòu)中，為什么？②畫出葉綠體和線粒體的結(jié)構(gòu)示意圖，并標(biāo)出相關(guān)色素和酶的分布部位。③為什么線粒體只能是進(jìn)行有氧呼吸的主要場所？④進(jìn)行光合作用和有氧呼吸一定要葉綠體和線粒體嗎？

針對問題①，學(xué)生回答：葉綠體、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體，因為葉綠體中含有光合作用所需要的色素和酶，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體中含有有氧呼吸所需要的酶。針對問題②，學(xué)生在學(xué)案上畫出葉綠體和線粒體的相關(guān)結(jié)構(gòu)，標(biāo)出結(jié)構(gòu)名稱（圖1），指出：葉綠體能通過形成類囊體薄膜增大膜的面積，從而可以附著更多的酶和色素，有利于光合作用的進(jìn)行；線粒體通過內(nèi)膜向內(nèi)折疊增大膜的面積，增加了酶的分布面積，有利于細(xì)胞呼吸的進(jìn)行。針對問題③，學(xué)生回答：因為把葡萄糖分解為丙酮酸的一系列酶分布在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中。通過找尋與光合作用和細(xì)胞呼吸相關(guān)的的結(jié)構(gòu)，學(xué)生體驗了生命觀念中的結(jié)構(gòu)和功能觀（結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)）。針對問題④，學(xué)生回答：不一定。藍(lán)藻沒有葉綠體能進(jìn)行光合作用，因為有光合作用所需的色素和酶。細(xì)菌沒有線粒體，但含有與有氧呼吸有關(guān)的酶，也能進(jìn)行有氧呼吸。

學(xué)生在建構(gòu)物理模型和對模型的分析過程，培養(yǎng)了科學(xué)理性的思維習(xí)慣，找尋了光合作用和呼吸作用相關(guān)的的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。原核生物中藍(lán)藻和細(xì)菌雖然沒有葉綠體和線粒體，但也能進(jìn)行光合作用和呼吸作用，教師以此引導(dǎo)學(xué)生分析與結(jié)構(gòu)相關(guān)的物質(zhì)基礎(chǔ)，使學(xué)生理解生命現(xiàn)象的本質(zhì)，發(fā)展科學(xué)思維素養(yǎng)。

2 建構(gòu)概念模型，探尋光合作用和細(xì)胞呼吸的內(nèi)在聯(lián)系

光合作用和細(xì)胞呼吸兩者的區(qū)別和聯(lián)系是學(xué)生理解生物的生長、發(fā)育等生命活動能量來源的前提，同時也為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和分析生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動、物質(zhì)循環(huán)、生態(tài)平衡等奠定基礎(chǔ)。

2.1 畫概念圖，建立光合作用和細(xì)胞呼吸內(nèi)在聯(lián)系的概念模型

在復(fù)習(xí)了光合作用和細(xì)胞呼吸過程的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生畫出光合作用和細(xì)胞呼吸結(jié)合在一起的概念結(jié)構(gòu)圖（圖2），分析其發(fā)生的物質(zhì)和能量變化，尋找其內(nèi)在的聯(lián)系。

從光合作用和細(xì)胞呼吸的對象和條件看，細(xì)胞呼吸是所有活細(xì)胞時刻進(jìn)行的生理活動，而光合作用主要是綠色植物的葉肉細(xì)胞，在光照條件下發(fā)生的生理活動。教師提出問題：對于葉肉細(xì)胞而言，當(dāng)光合作用和細(xì)胞呼吸共同存在時，兩者之間又有什么關(guān)系呢？

2.2 畫結(jié)構(gòu)圖建構(gòu)光合作用和細(xì)胞呼吸內(nèi)在聯(lián)系的概念模型

首先，教師提供一個葉肉細(xì)胞的模型（圖3），重點突出與光合作用、細(xì)胞呼吸有關(guān)的兩種細(xì)胞器，葉綠體和線粒體。

接著，學(xué)生討論，并用單向箭頭表示出葉肉細(xì)胞在不同條件下，細(xì)胞中O2和CO2的來源和去路（圖4）：

（1）在黑暗條件下，只有細(xì)胞呼吸。

（2）有光照條件下，既有光合作用，又有細(xì)胞呼吸。

①當(dāng)光照較弱，光合作用強(qiáng)度<細(xì)胞呼吸作用強(qiáng)度時；

②當(dāng)光合作用強(qiáng)度=細(xì)胞呼吸作用強(qiáng)度時；

③當(dāng)光照較強(qiáng)，光合作用強(qiáng)度>細(xì)胞呼吸作用強(qiáng)度時。

3 建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，追尋光合作用和細(xì)胞呼吸的影響因素

植物細(xì)胞葉綠體在行使功能時，需要一定的外部條件。例如，光合作用是葉綠體的功能，在黑暗中雖然結(jié)構(gòu)沒發(fā)生變化，卻無法進(jìn)行光合作用，光照是進(jìn)行光合作用的必要條件。

由此，教師引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)的條件和反應(yīng)的原料兩個方面分析影響光合作用的主要的環(huán)境因素。

3.1 利用數(shù)學(xué)公式，分析在細(xì)胞水平和個體水平上光對植物凈光合作用速率的影響

3.1.1 細(xì)胞水平上建構(gòu)數(shù)學(xué)以模型

教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合圖4，分析在光合作用強(qiáng)度>細(xì)胞呼吸強(qiáng)度時，從而得到光合作用產(chǎn)生的O2=細(xì)胞呼吸利用的O2+葉肉細(xì)胞釋放到細(xì)胞外的O2。

教師提出問題：這一數(shù)學(xué)模型中，是否適合其他三種情況呢？并引導(dǎo)學(xué)生分析以下模型：

①光照強(qiáng)度為0時，光合作用產(chǎn)生的O2為0，細(xì)胞呼吸利用的O2=-葉肉細(xì)胞釋放到細(xì)胞處的O2（負(fù)號表示相反，即從細(xì)胞外吸收）。細(xì)胞呼吸利用的O2=葉肉細(xì)胞從細(xì)胞外吸收的O2；

②光合作用產(chǎn)生的O2=細(xì)胞呼吸利用的O2—葉肉細(xì)胞從細(xì)胞外吸收的O2。

③光合作用產(chǎn)生的O2=細(xì)胞呼吸利用的O2。

3.1.2 個體水平上建構(gòu)數(shù)學(xué)模型

生物個體是由大量細(xì)胞組成的，在具體研究光合作用和細(xì)胞呼吸的時候，不可能直接測定某個細(xì)胞的光合作用或細(xì)胞呼吸所產(chǎn)生的氧氣、利用的氧氣，而是以生物個體為研究對象來測定的。一般來說，測定的是將某植物置于特定環(huán)境中，用單位時間內(nèi)植物向外界環(huán)境中釋放的氧氣或吸收的氧氣量來表示植物光合作用或呼吸作用的速率。

根據(jù)以上細(xì)胞水平上數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)，學(xué)生經(jīng)過討論，建構(gòu)個體水平上的數(shù)學(xué)模型：

單位時間內(nèi)植物光合作用產(chǎn)生的O2=單位時間內(nèi)植物細(xì)胞呼吸利用的O2+單位時間內(nèi)植物釋放到外界環(huán)境中的O2。

人們常用測定到的環(huán)境中O2的增減來表示光合作用速率，從以上構(gòu)建的模型可以看出，所測定的光合速率并不是植物真正的光合速率，是表觀光合速率，也叫凈光合速率。而真光合速率=凈光合速率+呼吸作用速率。

另外，凈光合速率還可以用單位時間內(nèi)植物從外界凈吸收的CO2或單位時間內(nèi)植物凈積累的有機(jī)物的量來表示。

3.1.3 分析模型，深入思考

教師提出問題：當(dāng)凈光合速率為零時，植物的真光合速率=植物呼吸作用速率。對于葉肉細(xì)胞而言，細(xì)胞的光合作用速率和呼吸作用速率相等嗎？

學(xué)生通過積極思考和討論發(fā)現(xiàn)，由于植物個體的所有活細(xì)胞都能進(jìn)行細(xì)胞呼吸，而進(jìn)行光合作用的只有部分細(xì)胞。當(dāng)個體的光合作用和呼吸作用相等時，對于葉肉細(xì)胞而言，光合作用強(qiáng)度一定是大于細(xì)胞呼吸作用強(qiáng)度的。

學(xué)生在細(xì)胞水平和個體水平上建構(gòu)數(shù)學(xué)模型。教師利用問題引導(dǎo)學(xué)生的思考，有助于學(xué)生理清知識的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)一步理解生物學(xué)的本質(zhì)問題。

3.2 利用曲線，分析光照強(qiáng)度、溫度、CO2濃度等對凈光合作用速率的影響

教師展示資料：植物生理學(xué)家對光合作用進(jìn)行了大量的研究，圖5中的各圖分別表示幾個環(huán)境因素對小麥光合作用速率的影響，除各圖中所示因素外，其他因素均控制在適宜范圍。并提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：

①從圖中資料顯示，影響光合作用的環(huán)境因素有哪些？②圖5A中的Ⅰ曲線代表了什么含義？③從圖5B可知，當(dāng)光照強(qiáng)度為Q點時，影響光合作用速率的因素主要是什么？此時主要影響了光合作用的什么階段，為什么？④A、B兩圖在光照強(qiáng)度為P點時，要想提高光合作用的產(chǎn)量，分別采取什么措施？⑤作為限制光合作用速率的環(huán)境因素，還應(yīng)有哪些？

各種模型具有各自的優(yōu)點，其中物理模型能把微觀抽象的生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大和具體，便于學(xué)生把握生物結(jié)構(gòu)的特征和位置。概念模型能將繁瑣、零碎的生物學(xué)概念進(jìn)行整合歸類，便于學(xué)生理清概念間的關(guān)系，整體把握生物學(xué)知識框架。數(shù)學(xué)模型能用數(shù)學(xué)語言來表達(dá)生物學(xué)原理和規(guī)律，將復(fù)雜的生物學(xué)知識簡單化，便于學(xué)生進(jìn)行預(yù)測、判斷，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。在高三生物的復(fù)習(xí)教學(xué)中，教師利用模型建構(gòu)，既能幫助學(xué)生將抽象的知識與細(xì)胞的結(jié)構(gòu)相聯(lián)系，從而使抽象知識變得形象直觀，又能不斷培養(yǎng)學(xué)生的分析與歸納、概括和綜合能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。