構建及分析物理模型在專題復習中的妙用
——光合作用和細胞呼吸實驗專題的設計

云南 邢艷蘭

光合作用和細胞呼吸是考查學生實驗設計及評價能力的常用知識點，引入的情景及考查的偏重點復雜多變，如何讓學生較快找到做題思路是一個關鍵點。通過嘗試，筆者發現構建并分析物理模型可幫助學生把復雜的問題簡單化，通過一圖多變，可達到觸類旁通的功效。那么如何讓學生構建并分析物理模型呢？筆者的專題復習主要分四步即：準備——構建——變形——檢測。

一、專題準備——采用任務驅動的方法進行

1.默寫光合作用和細胞呼吸的反應式

專題的探究起點是以下反應式，其中光合作用的產物默認為葡萄糖。專題開始前要求學生默寫出以下四個反應式，并相互檢查是否有錯。

2.分析反應式中物質的量變化

教師將反應式展示在白板上，要求學生分組比較分析原料和產物中各物質的量的變化。教師觀察學生的討論情況，視情況進行適當輔導，待學生通過比較分析，熟悉了光合作用和細胞呼吸過程中各物質的量的變化后，教師再展示結果，進一步強化學生的記憶。

反應式中得出的結論（教師展示）：

（1）光合作用吸收的二氧化碳量等于產生的氧氣的量，氣體的總量保持不變。因此測出植物消耗的二氧化碳量就等于該植物產生的氧氣量。

（2）有氧呼吸吸收氧氣的量等于產生的二氧化碳的量，氣體總量保持不變；只存在有氧呼吸時，生物消耗氧氣的量就是產生的二氧化碳的量。

（3）無氧呼吸產酒精時，不消耗氧氣但生成二氧化碳，因此氣體總量增加。測細胞呼吸時，若氣體總量增加，一定存在無氧呼吸。當無氧呼吸產生乳酸時，不消耗氧氣也沒有氣體生成。

設問：能否根據氣體量的變化來判斷密閉容器內的生物或生物器官在進行哪些活動呢？學生思考并進入第二步驟。

二、模型構建——采用任務驅動的方式進行

1.學生選材構建模型

教師展示器材、實驗藥品名稱、操作流程，要求學生選擇器材并畫出組裝圖，用于測定細胞呼吸類型。展示內容如下：

供選器材：玻璃管、各種燒杯、帶活塞的試管、帶活塞的培養瓶、滴管、帶有色液滴的玻璃管、帶刻度的玻璃管、帶閥門的玻璃管、培養皿、黑布、濾紙、蓋玻片、載玻片、顯微鏡等

供選藥品：氫氧化鈉溶液、碳酸氫鈉溶液、清水等

供選生物材料：植物種子、植物葉片、植物的根尖、酵母菌培養液、小球藻等

操作流程要求：自己選材——畫出模型——說出原理——小組交流

通過以上的教學設計，可以檢測學生對光合作用和呼吸作用的理解程度，培養學生的理性思維能力，通過交流增加學生對模型構建以及應用原理的理解。在學生構建模型時，教師通過巡視了解學生構建模型的情況，并根據具體情況進行輔導。

2.展示通用裝置（如圖一）并帶學生分析選擇各種器材的原因

圖一

3.分析裝置工作原理

密閉容器內的氣體體積變化導致導管中的液滴移動，根據液滴的移動方向及移動的距離來判斷密閉容器內生物材料的生理活動情況。

4.分析注意事項

①本實驗需要設置對照組（將生物材料滅活，其他條件不變），目的是排除物理因素導致的氣體體積變化對實驗結果的影響；

②測葉片的細胞呼吸，需要在無光條件下進行；

③該裝置用于探究細胞呼吸強度時，要求實驗材料的細胞呼吸產物中要有CO2生成，馬鈴薯塊莖等無氧呼吸產生乳酸的生物材料只能用本裝置來探究無氧呼吸類型；

設問：該設備還可以用來做哪些探究活動？需要改變哪些條件？學生思考并進入下一個環節。

三、模型變形分析——采用問題驅動的方式進行

1.展示問題

①如何用該裝置來檢測生物材料的細胞呼吸類型及呼吸速率？

②如何用該裝置來測植物葉片的凈光合速率和總光合速率？

③如何用該裝置來探究CO2濃度對植物光合作用的影響？

④如何利用該裝置來探究溫度對光合作用或細胞呼吸的影響？

⑤如何利用該裝置來探究光照強度或光質對光合作用的影響？

2.學生分組討論并總結

要求學生畫出修改后的模型圖，并寫出實驗原理，預測可能的實驗結果和結論。（要給學生足夠時間，教師巡視并進行及時輔導）

3.教師展示變形分類及分析

①生物材料：大部分生物材料均可用來探究細胞呼吸，當材料為葉片時，需要在無光條件下進行；探究光合作用需要用植物的葉或小球藻。

②溶液的種類：要制造無CO2環境須選擇NaOH溶液，要保持CO2濃度相對穩定則選用NaHCO3溶液作為緩沖液；不影響氣體變化的對照組選擇清水。

③玻璃管的選擇：需要控制氧氣的量，則選擇帶閥門的通氣管；定性試驗選用帶有色液滴的玻璃管；定量實驗要選擇帶有刻度的玻璃管。

④定性分析

光合作用：比較液滴向外移動的距離，若移動的距離大說明產生的O2多，則在該條件下植物光合作用強度大，反之則在該條件下光合作用強度小。

細胞呼吸：氣體體積增大存在無氧呼吸，氣體體積不變則只存在有氧呼吸或有氧呼吸+產乳酸的無氧呼吸。

⑤定量分析

根據單位時間內實驗組和對照組的氣體變化量來比較生物材料的細胞呼吸強度及光合作用強度。

細胞呼吸強度的計算：

實驗組氣體體積變化=實驗組讀出數據±對照組氣體體積變化數據

光合作用強度的計算：

凈光合作用速率=實驗組讀出的數值±對照組讀出的數值

總光合速率=凈光合速率+呼吸速率

四、反饋檢測

教師從歷年高考真題及模擬題庫中選出關于細胞呼吸及光合作用定性、定量測試或探究的試題組成一份試卷，用一節課的時間集中進行檢測和糾錯。經過檢測筆者發現學生的出錯率很低。

通過和同事對本專題進行同課異構后調查發現，用該方法復習的班級，學生用兩節課的時間完成裝置的構建及變形分析，一節課的時間進行檢測，僅三節課的時間就可與耗時較長的講解+整理+記憶的常規課堂模式相同的效果。這證明了通過模型構建及變形分析，不僅能夠幫學生深入理解光合作用和細胞呼吸的過程，還可促進學生仔細觀察模型細節，養成認真審題的習慣。