聚焦學科核心素養的高中生物學教學設計

余梅

葉綠體可以合成摘要 以教材中有關“光合作用原理”的史料實證為基礎，結合學情，適當地補充史料，引導學生進行理性質疑、探究推理、實證分析，逐步形成次位概念“光反應”和“暗反應”，進而構建重要概念“光合作用”，最終完善大概念“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”，形成生命系統的物質與能量觀，從而促進生物學學科素養的形成和發展。

關鍵詞 光合作用 史料實證 學科核心素養

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

1指導思想

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《新課標》）中明確指出：生物學學科核心素養是學生在學習生物學課程中逐漸發展起來的，在解決真實情境中的實際問題時所表現出來的價值觀念、必備品格與關鍵能力，包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。

發展學生的生物學學科核心素養是生物學課程的根本任務。為此《新課標》提出了7點教學建議，包括高度關注生物學學科核心素養的達成、組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養的關鍵、通過大概念的學習幫助學生形成生命觀念、注重生物科學史和科學本質的學習等。教師在課堂教學過程中，結合學校和學生的實際，利用好教材，創造性地開展教學工作，以促進學生生物學學科核心素養的達成。

2教學分析

2.1教材分析

“光合作用的原理”是人教版高中生物學《必修1·分子與細胞》第五章第四節的重要內容，主要目的是認識細胞生命活動中物質和能量的統一，探索該過程中發生的物質變化和能量變化，進一步體現生命系統的物質與能量觀。

教材精選了“光合作用”科學發現史中的部分經典實驗，比較完整地呈現了一個科學研究的過程。這部分內容是培養學生科學思維、科學探究、理性質疑、領悟科學本質的良好素材。教學中，教師應充分利用教材，也可適時地補充適當的科學史實，引導學生建構“光合作用原理”的概念，提升思維，體驗探究歷程。

2.2學情分析

高一學生通過對初中生物學和高中必修1中“酶與ATP、細胞呼吸、捕獲光能的色素和結構”等知識的學習，已經能夠說出光合作用的宏觀概念、場所、原料和產物;理解葉綠體的結構適于進行光合作用;認同物質與能量變化伴隨發生，但對于光合作用過程中物質與能量具體如何轉變，還不甚清楚。

3教學目標

1通過對史料實證的分析與綜合、歸納與演繹、抽象和概括，逐步構建概念“光反應、暗反應和光合作用原理”。能從物質和能量觀的視角，說明光合作用過程中物質和能量的轉換。

2重走科學家的探索之路，理解科學的本質和科學研究的思路和方法，感受科學研究的艱辛，學習科學家實事求是、敢于質疑、勇于探索的科學精神。

3體會技術在科學研究中的重要推動作用，認同人類對光合作用的認識過程是逐步的、發展的。

4教學思路

教學思路如圖1所示。

5教學過程

5.1概念引入，明確核心任務

教師以2020年全球十大科技進展之一“人造葉綠體”為真實情境，簡要介紹“人造葉綠體”研制成功的重要意義，并且指出“人造葉綠體”和天然葉綠體一樣，能夠利用光能，將CO2和H2O轉變為儲存能量的有機物并釋放O2。教師要求學生根據此概念，寫出光合作用的表達式，并依據此表達式從細胞水平和分子水平提出關于光合作用機制，提出進一步了解的問題：

“光合作用釋放的O2是來自原料中的H2O還是CO2？葉綠體是如何將光能轉化為化學能？又是如何將化學能儲存在糖類等有機物中？”這三個問題既是本節探究的核心問題，也是推動學生主動探究的驅動問題。

設計意圖：教師聯系社會科技，使學生認同科學研究的意義，同時為后續要求學生構建人工葉綠體做鋪墊。尊重學生的認知邏輯。教學時，教師從初中光合作用的宏觀概念和反應式入手，引導學生學習光合作用的生理機制，體現學科概念在初高中的銜接，進而促進學生實現概念的進階建構。

5.2聚焦重要概念，發展科學思維，培養探究能力，建立生命觀念

5.2.1基于實證、探究推理，建構“光反應”概念模型，聚焦物質與能量觀

（1）任務一：探究O2的來源。

教師先引導學生根據反應式猜測O2的來源（CO2、H2O、CO2和H2O），然后帶領學生重走科學家的探索之路。并提供史料實證1、2。

119世紀末，科學界普遍認為，在光合作用中CO2分子的C和O被分開，O2被釋放出來，C和H2O結合成甲醛，然后甲醛分子縮合成糖。

21928年，科學家發現，甲醛對植物有毒害作用，而且甲醛不能通過光合作用轉化為糖。

教師提出問題：基于上述資料，你對O2的來源有何猜想？事實與猜想是否一致？需要通過實驗證實。葉綠體是光合作用的場所，建議把葉綠體分離出來，在細胞外單獨去研究。

學生質疑：葉綠體脫離了細胞還能執行功能嗎？

在細胞外如何才能保持葉綠體的活性？

教師先肯定學生的質疑精神，然后從葉綠體在細胞內的生存環境引導學生回答如何才能維持葉綠體的活性。同時提供史料實證3。

31937年，英國植物學家希爾開創性地破碎植物細胞，對離體葉綠體進行探索。他發現，在離體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑（懸浮液中有H2O，沒有CO2），在光照下可以釋放出氧氣。像這樣，離體葉綠體在適當條件下發生水的光解、產生氧氣的化學反應稱作希爾反應。

另外，教師補充資料：充當氧化劑的Fe3+得e-變成了Fe2+。

學生基于上述資料，思考并寫出希爾反應的表達式及結論（反應式：Fe3++H2O→Fe2++O2+H+;結論：希爾反應證明了O2中的氧元素來源于H2O）。教師追問：希爾反應能說明O2中的氧元素全部來源于H2O嗎？如何證明？

學生根據此前學習“分泌蛋白的合成與運輸”相關知識很快得出采用同位素標記法，通過小組討論，給出實驗設計方案。

教師提供史料實證4：1941年，美國科學家魯賓和卡門用同位素示蹤的方法，研究了光合作用中O2的來源（表1）。

學生討論后，得出：O2中的氧元素全部來源于H2O。

（2）任務二：探究H2O中H的去向和光能的轉移路徑。

學生質疑：1鐵鹽是外源氧化劑，在葉綠體內有沒有天然的氫受體？2H+哪去了？3光能轉移到哪了？

教師提供史料實證5和6。

520世紀50年代，植物生理學家發現葉綠體中存在天然的受氫體NADP+，光照下，可接受H+和e-，轉變為NADPH，稱作還原型輔酶II，簡寫為[H]。

61954年，美國科學家阿爾農也用離體葉綠體做實驗（表2）。1957年，阿爾農發現這一過程總是與水的光解相伴隨。

學生基于上述資料，寫出此過程的表達式并得出結論（反應式：NADP++H++2e-→NADPHADP+Pi+能量→ATP;結論：光照下，葉綠體可以合成ATP，這一過程總與H2O的光解相伴隨）。

學生質疑：ATP究竟是怎樣合成的？驅動ATP合成的動力是什么？

教師提供史料實證7和8。

71961年，英國生物化學家米切爾提出化學滲透假說：光照引起水的裂解，水釋放的H+留在類囊體腔中，釋放的e-經類囊體膜上電子傳遞鏈傳遞給某種蛋白質，將類囊體外側的H+泵入類囊體腔中，使膜內側的H+濃度高于外側，于是膜內外產生了H+濃度差和電位差，當H+沿著濃度梯度返回膜外側時，在ATP合酶催化下，ADP和Pi脫水形成ATP。

81966年，賈格道夫在黑暗處將離體葉綠體類囊體置于pH為4的酸性緩沖液中，使腔內PH降低;然后將類囊體轉移至含有ADP和Pi的pH為8的酸性緩沖液中，發現有ATP的生成。

學生基于資料分析，推理出：驅動ATP合成的動力來自類囊體膜內外測的H+濃度差。

教師呈現類囊體膜上光反應的過程示意圖（圖2）。

學生基于上述資料的分析、推理、判斷，歸納總結出光反應的大致過程。教師引導學生構建出光反應的概念模型（圖3左側部分），并概括出光反應的概念：在類囊體薄膜上進行，光合色素吸收、傳遞、轉化光能，形成ATP和[H]中活躍的化學能，并將水裂解成O2。

設計意圖：教師還原歷史情境，使學生像科學家一樣思考，提出質疑、尋求證據、推理判斷、驗證假設、分析現象、得出結論。學生在探究中理解科學的本質和科學研究的思路與方法，體會科學研究的艱辛，學習科學家實事求是、敢于質疑、勇于探索的精神。學生真實完整地體驗了科學探究的過程，加深了對光反應過程中物質變化和能量轉移的理解，進而構建次位概念“光反應”，體會物質與能量觀。

5.2.2實證分析、演繹推理，建構“暗反應”概念模型，聚焦物質與能量觀

（1）任務三：探究C的轉移路徑（糖類的合成途徑）。

教師提出問題：希爾實驗能否說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應？CO2是如何轉變為糖類的？并提供史料實證9：1946年，美國科學家卡爾文將14C標記的CO2提供給小球藻，給予充足的光照，每隔一段時間取樣，并立即殺死小球藻，同時提取產物并分析，以追蹤14C的轉移路徑。照光30s后，檢測到14C存在于幾十種化合物，縮短到5s后，14C同時出現在C5、C6中。

教師提出問題：想要探究14C首先轉移到哪種化合物中，該怎么做？

學生思考后，分析出：不斷地縮短光照時間后，殺死小球藻，同時提取產物并分析。直到最終提取物中只有一種放射性產物，該物質即是CO2轉化成的第一種產物。

教師補充實驗結果：卡爾文發現，當光照縮短至幾分之一秒時，發現90%的放射性物質是C3。

基于上述實驗結果，學生得出結論：14C首先轉移至C3中，然后再轉移至C5和C6，即14CO2→C3→C5和C6。

教師追問：14CO2的受體是哪種物質？并引導學生從C原子個數守恒的角度進行猜測：11個14CO2和1個C2結合;23個14CO2結合;31個14CO2和1個C5結合形成2個C3。

教師補充史料：卡爾文經過反復實驗，并未發現C2化合物。他還發現，在有光照和CO2供應下，C3和C5的濃度很快達到飽和并維持穩定，但含有放射性的糖類卻不斷增加。

學生分析推測：C5很有可能繼續參與反應，被消耗，此過程是循環的。

教師提出問題：C5會是CO2的受體嗎？怎樣證明？

學生討論，得出實驗的設計思路：讓C5只生成，不消耗，即停止供應CO2，然后檢測C3和C5濃度的變化。教師補充史料：卡爾文通過改變實驗條件，發現C5含量呈現規律性變化：當停止CO2供應時，C3含量急劇下降，C5含量急劇升高;當恢復CO2供應時，C3含量急劇升高，C5含量急劇下降。學基于實證分析，演繹推理，寫出卡爾文循環的表達式（圖4）。

教師說明卡爾文歷時9年揭示了自然界最基本的生命過程，在1961年獲得了諾貝爾獎。

（2）任務四：探究光反應與糖的合成之間的聯系。

教師提供史料實證10：1954年，阿爾農發現，在黑暗條件下，只要提供了[H]和ATP，葉綠體也能將CO2轉化為糖類，同時[H]和ATP的含量急劇下降（表3）。

學生推理，得出：糖類的生成可以不需要光，但必需有[H]和ATP。

教師引導學生構建暗反應概念圖（圖3右側部分），并概括出暗反應的概念：在葉綠體基質中進行，利用光反應產生的[H]和ATP，將CO2經固定產生的C3還原為糖類等有機物中，[H]和ATP中活躍的化學能轉化為有機物中穩定的化學能。

設計意圖：教師基于史實，利用演繹推理、抽象概括、建構模型，加深學生對暗反應過程中物質與能量變化的理解，促進學生構建“暗反應”的次位概念，深化物質與能量觀。

5.2.3構建“光合作用的原理”概念，明確光合作用的意義，形成生命觀念

教師引導學生將光反應和暗反應兩個概念進行整合，形成光合作用的原理圖（圖3），并構建“光合作用的原理”概念：光合作用分為光反應和暗反應;在光反應階段，光能被類囊體膜上的色素捕獲后，將H2O裂解為O2和H+等，形成ATP和[H]，于是光能轉化為ATP和[H]中的化學能。ATP和[H]驅動在葉綠體基質中進行的暗反應，將CO2轉變為儲存化學能的糖類等有機物。光合作用產生的有機物不僅供植物體自身利用，還養活了包括你、我在內的所有異養生物，是生物界幾乎所有生物物質和能量的根本來源。

設計意圖：教師引導學生整合次位概念，構建重要概念“光合作用”，使學生明確光反應和暗反應緊密聯系，能量轉化與物質變化密不可分，訓練學生的“整體與局部”的辯證思維，使學生在概念建構中深化物質與能量觀，形成生命觀念。

6教學反思

“光合作用”概念的形成實質上就是一個科學探究史。本設計還原當時科學研究的歷史情境，引導學生經過理性質疑、分析判斷、演繹推理，形成次位概念，構建重要概念，最終完善大概念“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”。學生在建構概念的過程中，提升思維品質，體驗探究歷程，體會科學家在人類社會發展中肩負的社會責任，深刻理解光合作用過程中物質變化和能量轉化，深刻體會生命的物質與能量觀。

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