基于生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計
——以“光合作用原理的應(yīng)用”為例

張 丹 周源泉

（武進(jìn)區(qū)洛陽高級中學(xué) 江蘇常州 213000）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出：生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在生物學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中逐漸發(fā)展起來的，在解決真實情境中的實際問題時所表現(xiàn)出來的價值觀、必備品格與關(guān)鍵能力?？梢?，生物學(xué)知識的習(xí)得來源于解決真實情境產(chǎn)生的實際問題。創(chuàng)設(shè)問題情境是發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要路徑。因?qū)W校周邊都是大面積葡萄種植區(qū)，不少學(xué)生的家庭都是葡萄種植戶，教師從生活出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的生物現(xiàn)象，將所學(xué)光合作用的原理應(yīng)用于生活實際。下文以生活式葡萄園種植情境為主線，利用問題情境教學(xué)，聚焦學(xué)科核心素養(yǎng)，幫助學(xué)生理解或解釋生物學(xué)相關(guān)事件和現(xiàn)象，完成光合作用原理應(yīng)用的教學(xué)目標(biāo)。

1 教材分析及設(shè)計思路

“光合作用的原理與應(yīng)用”是新教材必修1第五章第三節(jié)的內(nèi)容，在《課程標(biāo)準(zhǔn)》中，該部分內(nèi)容屬于必修課程模塊1概念2：細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》要求在本節(jié)教學(xué)中開展探究性學(xué)習(xí)活動。因此，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)基于探究性學(xué)習(xí)活動引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊與生物學(xué)相關(guān)的現(xiàn)象，發(fā)掘現(xiàn)象背后的生物學(xué)規(guī)律，并嘗試將所學(xué)原理規(guī)律應(yīng)用于實踐，以此發(fā)展學(xué)生獨立分析問題、解決真實情境問題的思維能力。

教師以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中采取的栽培措施為切入點，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析措施涉及的生物學(xué)原理，樹立正確的生命觀念；同時，選取生產(chǎn)實踐常用的光質(zhì)與植物的整形方式為探究點，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、提出問題、設(shè)計實驗、預(yù)取結(jié)果與應(yīng)用，解決問題等，增強學(xué)生知識遷移應(yīng)用的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究核心素養(yǎng)，提升學(xué)生社會責(zé)任感，使學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)、社會、技術(shù)三者之間的聯(lián)系。

2 教學(xué)目標(biāo)

①分析影響光合作用產(chǎn)量的因素，建立物質(zhì)與能量觀。

②嘗試分析實驗中的自變量、因變量的關(guān)系，通過對實驗數(shù)據(jù)的交流與討論，得出結(jié)論，以此發(fā)展歸納與概括、演繹與推理等科學(xué)思維。

③參與“葡萄整形技術(shù)，提高作物產(chǎn)量”主線中的相關(guān)實驗設(shè)計、預(yù)測結(jié)果，進(jìn)一步運用科學(xué)的思維方式解決問題、指導(dǎo)實踐。

④根據(jù)光合作用原理，解釋葡萄園增產(chǎn)采取的栽培措施的生物學(xué)原理，建立結(jié)構(gòu)與功能觀。

3 教學(xué)過程

3.1 生活實際導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教學(xué)時，教師首先讓學(xué)生觀看學(xué)校周邊葡萄種植戶為了提高產(chǎn)量采取農(nóng)業(yè)措施的視頻。視頻中，天氣陰雨連綿，日照光不足，種植戶對葡萄進(jìn)行補光處理?？吹揭曨l里熟悉事例，學(xué)生的好奇心被調(diào)動起來。于是，教師提出驅(qū)動本節(jié)課開展的系列問題：①葡萄園里為什么要進(jìn)行補光？②補光對葡萄的光合作用有哪些影響？③補充的是哪種光？

設(shè)計意圖：教師通過選擇學(xué)生熟悉的具有代表性的生物學(xué)事件，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，以此驅(qū)動教學(xué)，引出影響光合作用強度的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生感受光合作用原理的應(yīng)用近在咫尺。同時，熟悉的生活情景激起學(xué)生探索光合作用原理的應(yīng)用相關(guān)知識興趣，驅(qū)動學(xué)生進(jìn)行多方面思考，有利于培養(yǎng)科學(xué)思維。

3.2 分析資料，形成生命觀念

教師展示資料1：科研人員利用儀器測定不同天氣條件下光合有效輻射日變化（圖1），葡萄的凈光合速率與光合有效輻射之間的關(guān)系（圖2）。并提出問題：①不同天氣條件下，葡萄園光合有效輻射量有什么不同？②一定條件下，葡萄凈光合速率跟光合有效輻射是什么關(guān)系？③根據(jù)資料，遇上陰雨連綿的天氣，為了保證葡萄產(chǎn)量，可以采取的農(nóng)業(yè)措施是什么？教師據(jù)此引導(dǎo)學(xué)生思考光照強度對光合作用的影響。

圖1 不同光照條件下設(shè)施內(nèi)光合有效輻射日變化

圖2 葡萄的凈光合速率與光合有效輻射的關(guān)系

設(shè)計意圖：教師通過層層遞進(jìn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考影響光合作用的因素——光照強度，與光合速率之間的相關(guān)性，以問題帶領(lǐng)科學(xué)思維，指導(dǎo)學(xué)生的探究活動；以問題情境驅(qū)動課堂，引導(dǎo)學(xué)生主動參與，激發(fā)學(xué)生的求知欲。針對上述生物學(xué)現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)，教師引導(dǎo)學(xué)生解釋連續(xù)陰雨天影響葡萄產(chǎn)量的因素，認(rèn)識生物事件的基本原理及規(guī)律。

3.3 設(shè)計實驗，發(fā)展科學(xué)探究素養(yǎng)

教師提問：既然人工補光可適當(dāng)提高植物光合速率，究竟補充哪種光源效果更好呢？此時，教師可先嘗試讓學(xué)生作出猜測。學(xué)生已經(jīng)知道太陽光有7種不同顏色的光，不同光合色素對不同光的吸收率不一樣，葉綠素a和葉綠素b主要吸收紅光和藍(lán)紫光。據(jù)此，學(xué)生可作出猜測，即可以選擇補充紅光或者藍(lán)紫光。針對學(xué)生的猜測，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計探究實驗驗證。學(xué)生小組討論后，設(shè)計初步探究方案：一組不作補光處理，兩組分別補充紅光、藍(lán)光，比較三組的植物凈光合速率。學(xué)生預(yù)測補光后，植物的光合速率會提高。教師對學(xué)生設(shè)計的實驗表示肯定后，提供科研資料2：科研人員選擇生長健壯、大小一致的2年生巨峰葡萄分6個小區(qū)，每個小區(qū)10株。在葡萄剛長新梢時，開始采用5種不同光質(zhì)的光進(jìn)行補光處理，即紅光、藍(lán)光、黃光、紅光與藍(lán)光混合光（紅+藍(lán)光）、白光，最后一組不補光。光源為40 W不同光質(zhì)的熒光燈，每天6∶00-8∶00和16∶00-18∶00人工補光4 h。補光期間，對葡萄采取常規(guī)肥水管理。實驗數(shù)據(jù)如表1和圖3所示。

表1 不同光質(zhì)對巨峰葡萄葉片葉綠素含量的影響（單位：mg·g-1FW）

圖3 不同光質(zhì)對巨峰葡萄葉片凈光合作用速率的影響

根據(jù)資料，教師提問：①為什么選擇生長健壯、大小一致的2年生巨峰葡萄？②實驗的自變量、因變量是什么？③對照組和實驗組分別是哪幾組？④實驗的檢測指標(biāo)是什么？⑤實驗結(jié)果說明了什么？在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上給人們提供了什么提示？據(jù)此幫助學(xué)生修正自己的實驗方案，增強對光合作用速率影響因素的認(rèn)識。

設(shè)計意圖：教師改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，創(chuàng)設(shè)問題探究任務(wù)，以“發(fā)現(xiàn)問題—探究問題—提升科學(xué)探究素養(yǎng)”為主線展開教學(xué)。學(xué)生經(jīng)歷了自主設(shè)計實驗、演繹推理實驗結(jié)果，并在教師提供真實的科研方案和數(shù)據(jù)后，可修正自己的實驗方案，在完成相應(yīng)探究任務(wù)同時，內(nèi)化知識，提升科學(xué)探究能力與生物學(xué)科學(xué)思維。

3.4 實證探究，加強實證意識

教師圍繞光合作用原理的應(yīng)用與提高光合作用強度，繼續(xù)創(chuàng)設(shè)問題情境，進(jìn)一步拓展教材內(nèi)容。教師再次播放導(dǎo)入視頻，視頻中的種植戶面對夏季葡萄藤葉片生長過旺的情況，決定對副梢的部分葉片進(jìn)行摘除處理。教師展示葡萄各部分的結(jié)構(gòu)，提供背景資料3：20世紀(jì)初，有關(guān)學(xué)者最先在光合中提出“源”“庫”概念。植物的“源”是指制造和輸出同化物的組織或器官，一般指成熟葉片；“庫”是指消耗和輸入同化物的組織或器官，指嫩枝、幼葉、花和果實等器官。當(dāng)光合“源”較小時，植物制造的光合產(chǎn)物不足，果實品質(zhì)下降；而光合“源”過大時，“庫”對“源”進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，會導(dǎo)致源庫協(xié)調(diào)不佳，難以獲得高產(chǎn)。對樹體做去葉處理，合理調(diào)整庫源關(guān)系，可顯著提高剩余源葉的凈光合速率，使?fàn)I養(yǎng)生長與生殖生長達(dá)到平衡，從而適應(yīng)實際生產(chǎn)以便獲得最大經(jīng)濟價值。

根據(jù)視頻和資料，教師設(shè)問：①視頻中摘葉處理的目的是什么？②利用所學(xué)知識，設(shè)計相關(guān)實驗證明你的觀點，需考慮實驗對象、自變量、因變量、無關(guān)變量和檢測指標(biāo)。

在學(xué)生完成小組討論后，教師提供資料4：展示實際中科研人員設(shè)計的實驗方案和結(jié)果，如表2和圖4所示。教師進(jìn)一步追問：①處理副梢可以從幾個方面影響植物光合作用的影響？②分析實驗數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果是什么？③利用材料提供的庫源知識，你如何解釋實驗結(jié)果？④利用光合作用相關(guān)知識，實驗結(jié)果如何解釋？⑤為改變庫源關(guān)系，獲得最大經(jīng)濟效益，你還能想到實際生產(chǎn)中其他的處理方式嗎？

表2 不同處理方式

圖4 不同處理方式對副梢葉片光合作用的影響

學(xué)生討論后，教師提供背景知識資料5：光合作用的直接產(chǎn)物為碳水化合物。植物葉片光合產(chǎn)物首先滿足于自身需求，只有當(dāng)庫源關(guān)系發(fā)生變化時，光合產(chǎn)物才開始以蔗糖的形式，經(jīng)韌皮部長距離運輸后卸載到貯藏器官中。同時，輸出的部分同化物并不是平均分配到各個器官中，而是有所側(cè)重。據(jù)此，教師提問：①根據(jù)光合作用原理，光合作用制造的有機物在分配上有什么規(guī)律嗎？②應(yīng)從“庫”和“源”的什么關(guān)系出發(fā)探究其中的規(guī)律？并要求各小組針對本組研究的目的，設(shè)計實驗方案，并檢測光合同化物的量。

此時，學(xué)生對如何檢測光合同化物的量產(chǎn)生疑問，教師可讓學(xué)生重溫光合作用的原理與卡爾文循壞過程，并提供背景知識資料6：科研人員用透光性良好的薄膜套在要被標(biāo)記的副梢上，抽出袋中空氣，注入無CO2和H2O的空氣，同時用注射器注入13C含量為99%的CO2氣體進(jìn)行標(biāo)記。學(xué)生進(jìn)一步思考討論，可得出用同位素標(biāo)記法檢測光合同化物的量，即分別標(biāo)記不同位置副梢的CO2，比較果實中帶標(biāo)記的有機物的含量。

設(shè)計意圖：分析實驗數(shù)據(jù)是目前探究實驗要求的必備技能之一，也是新高考命題的方向。學(xué)生可嘗試對4組實驗結(jié)果呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，得出實驗結(jié)論。教師可順勢滲透胞間CO2濃度與光合速率之間的關(guān)系，進(jìn)一步打破學(xué)生的思維定勢，進(jìn)行思維拓展訓(xùn)練，使學(xué)生領(lǐng)悟到實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通過調(diào)整庫源關(guān)系，如調(diào)整葉果數(shù)量比例，能夠增加產(chǎn)量。教師在實驗探究環(huán)節(jié)，引入拓展延伸知識，補充相關(guān)的背景知識資料作為學(xué)生學(xué)習(xí)的支撐，增加學(xué)生的證據(jù)意識。教師以學(xué)生解決問題，自主設(shè)計實驗、交流實驗方案的形式展開教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步應(yīng)用光合作用原理，能夠進(jìn)一步加深學(xué)生對概念的認(rèn)知，提高學(xué)生的實驗設(shè)計能力，增強學(xué)生的邏輯分析和發(fā)散思維。

3.5 體驗式應(yīng)用，發(fā)展社會責(zé)任核心素養(yǎng)

教師再次播放課堂導(dǎo)入視頻，請學(xué)生解釋其中的每個農(nóng)業(yè)措施背后的生物學(xué)原理。學(xué)生扮演不同地方農(nóng)場主、農(nóng)業(yè)技術(shù)人員，農(nóng)業(yè)評估員等角色，結(jié)合農(nóng)業(yè)種植場所用措施，運用光合作用原理相關(guān)知識，對不同地方適合種植的品種、種植措施、種植大棚選擇與操作措施等內(nèi)容，從光合作用的原理、提高光合作用強度等方面進(jìn)行解釋，解決農(nóng)場主的疑惑。

設(shè)計意圖：教師再次播放視頻與課堂開頭創(chuàng)設(shè)的情境相呼應(yīng)，進(jìn)一步檢驗學(xué)生對概念的理解和應(yīng)用。學(xué)生通過角色扮演，知識運用、問題解決、遷移應(yīng)用，深度參與問題研究與解決，發(fā)展收集信息與實證邏輯推理、歸納概括的思維能力。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課以學(xué)生熟悉的真實生活情景“葡萄園種植采取的農(nóng)業(yè)措施”貫穿前后，加強了問題情境教學(xué)的連貫性與可操作性。教師創(chuàng)設(shè)一系列問題情境，以問題為導(dǎo)向，驅(qū)動學(xué)生思維發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生將光合作用原理同現(xiàn)實生產(chǎn)實際聯(lián)系起來。整節(jié)課采用探究式教學(xué)方式，教師帶領(lǐng)學(xué)生以探究者的身份自主設(shè)計實驗、分析實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)論，解決實際問題，使學(xué)生能夠掌握實際生產(chǎn)中相關(guān)農(nóng)業(yè)措施背后的理論支撐，為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)提供有價值的建議。在解決問題的過程中，學(xué)生能夠鞏固知識，在積極探究中培養(yǎng)科學(xué)思維習(xí)慣，不僅能夠更深入地理解生物學(xué)的基本規(guī)律與原理，更能夠通過知識的運用與遷移，學(xué)會正確的探究思路與基本方法，形成相應(yīng)的探究模式，樹立生命觀念，提升社會責(zé)任感。