基于模型構建的教學設計

摘 要：本文以“光合作用過程”相關教學為例，介紹利用科學史資料引導學生進行模型構建的教學設計。筆者以物質與能量觀為思維主線，引導學生構建光合作用過程的模型，并通過引用科學史經典實驗修訂和完善模型，從而促進學生科學思維能力的發展。

關鍵詞：光合作用；模型與建模；科學思維

文章編號：1003-7586（2024）11-0019-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 教材分析及設計思路

“光合作用過程”內容位于浙科版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》第三章第五節。該部分內容的教學核心是光反應、碳反應過程中的物質與能量變化。在學生已經學習了簡單的光合作用知識的基礎上，教師從物質與能量觀角度進一步展開光合作用的相關教學。

光合作用的發現過程包含有大量的科學史實驗，能夠作為課堂教學的優良素材。實驗中所呈現的觀察事實的角度、思考問題的方式和探究解決問題的方法，均體現了研究人員科學嚴謹的思維過程。真正的科學史實驗是科學家們經過無數次思考和實驗的證實形成的。教材中往往只呈現系列實驗中的部分關鍵實驗，若教師將教材中呈現的科學史實驗作為孤立的材料進行教學，容易導致學生站在現代科技的視角進行思考，難以真正體會到科學史實驗中的不確定性和探索過程的艱辛，從而限制了學生思維的廣度和深度，使其陷入固定的思維路徑中。

構建模型是培養學生科學思維能力的有效方式之一，本節課以構建光合作用過程的模型為核心，以科學史實驗為案例，以物質和能量變化為教學主線開展教學，具體教學路徑如圖1所示。

2 教學目標

（1）通過小組合作探究活動，運用模型與建模能力闡明光反應的過程，并能以過程模型的形式表達，掌握科學探究的基本思路和方法；通過小組合作，培養合作交流能力、建模能力。

（2）通過閱讀科學史資料，感受科學家的科學思維，運用歸納演繹法，闡明碳反應的過程，并能以過程模型的形式表達；發展物質與能量觀，結構與功能觀。

（3）通過演繹與推理，闡明光反應和碳反應的聯系；發展物質與能量觀，穩態與平衡觀。

3 教學過程

3.1 創設情境，提出問題

教師創設情境：以袁隆平為首的廣大育種學家為了國家的糧食安全艱辛工作，成果斐然。

教師提出問題：育種的目的是什么？水稻中的有機物來自什么過程？學生根據儲備的知識和生活經驗，思考育種的目的及有機物的來源和過程。然后教師提出本節課的核心問題：光合作用是如何利用光能生成氧氣和糖類的？

設計意圖：教師圍繞育種的目的引導學生展開討論，幫助學生形成“糧食安全是國家根本”的認識，借助海寧本地的水稻產業，強化學生本土情懷，同時引出本節課的核心問題。

3.2 光反應過程模型構建

3.2.1 光反應過程初探

材料一：將類囊體懸浮液放入試管①和試管②中。在不同光照條件下培養一段時間后，試管①中藍色逐漸消失，并產生了氧氣；試管②無任何變化（見圖2）。

材料二：DCIP是一種藍色染料，在結合H＋和電子后，被還原成無色物質。

教師提出問題：試管①中培養液為什么會發生從藍色到無色的顏色變化？氧氣是如何產生的？光照下類囊體膜上發生的物質變化和能量變化有哪些？

在教師的引導下，學生通過分析材料中的信息，能夠得出氧氣是由水分解產生的，同時產生的H＋和電子能將DCIP還原，使培養液從藍色變為無色，該反應需要吸收光能來實現。學生經過分析，總結出物質變化路線和能量變化路線。

設計意圖：學生基于材料一和二中的事實證據，通過對比和論證得出相應結論，體會了基于事實推測機制的科學探究過程，培養了自身的科學思維能力。教師根據材料引出本節課的教學主線“光合作用過程中的物質變化和能量變化”，為后續教學的順利開展奠定基礎。

3.2.2 光反應過程模型初構

物質與能量觀、結構與功能觀和穩態與平衡觀是生命觀念中的三個重要觀念，是學生在學習光合作用過程中的培養目標。通過之前的學習，學生已經具有從物質和能量變化角度理解光合作用的科學思維能力，教師據此要求學生從物質與能量觀的角度完成光反應過程的模型構建。

材料三：研究人員在類囊體處發現了ATP、ADP、Pi、NADP＋和NADPH等物質，這些物質與類囊體處進行的光反應有關。

學生依據材料信息，結合已有知識，通過小組合作完成光反應過程模型的初步構建。通過之前的學習，學生已經初步了解到水在光下會分解產生氧氣、氫離子和電子，同時在類囊體處可能存在相應的受體。但對于光能被光合色素吸收后的轉化路線，學生仍有不同的推測，教師將其總結歸納為兩種模型（見圖3）。

模型A：

能量變化：光能→ATP中的化學能→NADPH中的化學能

模型B：

能量變化：光能→NADPH中的化學能→ATP中的化學能

在學生構建模型的過程中，教師不進行任何干預，且不對學生構建的模型進行正誤評判，而是給予學生足夠的空間和時間，引導其依據已有的知識儲備進行構建。

3.2.3 光反應過程模型再構

材料四：研究人員在含類囊體的培養液中添加不同的物質，提供適宜光照后，檢測培養液中存在的物質。

教師在學生初構模型的基礎上，引導其依據材料四的相關信息，修訂小組構建的光反應過程模型和能量變化過程。在學生完成方案修訂后，教師選擇具有代表性的小組展示光反應過程模型，并闡述模型構建的依據，然后在班級中展開對模型的論證、修訂并完善光反應過程模型，最后獲得統一且正確的光反應過程模型。

設計意圖：基于物質和能量觀的模型構建和問題探討，能夠使學生更好地掌握光反應過程中的物質與能量變化。如果教師將科學史實驗直接展現在學生面前，雖然能讓學生更快速地構建正確的光反應過程模型，但會限制學生的思維寬度和深度，不利于培養學生的科學思維能力。教師在一定的實驗事實基礎上，讓學生通過小組合作的方式構建光反應過程模型。在此基礎上，教師將科學史實驗展示在學生面前，能夠讓學生對初構的模型進行修訂和完善，符合科學探究的一般過程。

3.3 碳反應過程模型構建

3.3.1 光反應與碳反應的關系探討

材料五：設置試管③～⑥，如圖4所示。一段時間后，在試管⑤和⑥中檢測到了糖類。

教師提出問題：通過多個試管的對照，可以得出什么結論？光反應為碳反應提供了什么原料，這些原料的作用是什么？二氧化碳是如何轉變為糖的？

學生提取材料信息，通過思考與討論得出相應的結論：試管③～⑥的實驗現象說明葉綠體基質可以將二氧化碳轉化為糖，該過程需要光反應產生的ATP和NADPH提供能量。

設計意圖：依據光合作用的總方程式，學生了解到ATP和NADPH并不是光合作用的最終產物，并由此思考光反應中固定的能量及產生的物質如何在糖的生成過程中發揮作用。通過光反應過程模型的構建，學生已經具有物質和能量觀，并能夠以此為基礎理解光合作用的過程。學生通過對科學史實驗的探討以及小組合作，能夠解決實驗問題，提高學習成就感。

3.3.2 糖生成過程模型構建

教師引導學生閱讀材料，展開小組合作，構建碳元素轉移路徑模型。

材料六：1946年開始，卡爾文（M. E. Calvin）及其同事利用¹⁴C標記二氧化碳和小球藻，進行碳反應過程探究實驗。

教師提出任務：用磁吸片和箭頭在白板上構建糖的生成過程，并標注ATP和NADPH的消耗位點。

學生依據實驗結果，能夠推出碳元素的轉移路徑（見圖5），但不同小組對ATP和NADPH的消耗位點存在不同認識，圖中的①-③位點均有小組提到。

CO2①三碳酸②三碳糖③葡萄糖

設計意圖：教師展示卡爾文循環的探究實驗過程，學生通過小組合作完成碳元素轉移路徑的模型構建。學生在其中發現科學的快樂，體驗知識的發生、發展過程，既加深了對知識的理解，又提升了科學探究能力，從而更好地理解科學本質。^［1］

3.3.3 二氧化碳受體和ATP、NADPH消耗位點的探究

材料七：科學家發現在葉綠體基質中存在五碳糖。將含有離體葉綠體的培養液放置在適宜光照下并通入二氧化碳。一段時間后停止通入二氧化碳并檢測基質中的五碳糖和三碳酸的含量變化。科學家重復試管⑥實驗，檢測三碳酸、三碳糖等物質的變化情況。

教師提出任務：依據實驗結果，判斷二氧化碳的受體和ATP、NADPH的消耗位點。

學生通過分析材料中的相關信息，結合之前構建的碳元素轉移路徑模型，得出：五碳糖是二氧化碳的受體；五碳糖在結合二氧化碳后，形成三碳酸，并在ATP和NADPH的作用下還原成三碳糖。教師在學生結論的基礎上進行補充，最終得到完整的卡爾文循環過程。

設計意圖：教師進一步展示科學史實驗，學生通過小組合作完成碳反應的模型構建，進一步推演科學史實驗的過程，理解科學進步不是一蹴而就的，而是在大量的實驗與探究的過程中循序漸進的。

3.4 基于光合作用過程的水稻產量提升措施探討

教師引導學生基于“光合作用過程”的相關知識，討論得出：育種提高光合作用產量的本質是改善植物光合作用的內在條件。

設計意圖：教師通過設置討論，一方面對學生本節課的學習情況進行評價，另一方面引出學生對后續教學內容的初步思考，同時進一步提升學生對科學育種的興趣和保障國家糧食安全的社會責任意識。

4 教學反思

科學思維是學生智力發展的目標，也是生物學學科核心素養的內容之一。本節教學中，教師通過對教材內容的解析與組織，以光合作用中的物質和能量變化為教學主線，利用科學史實驗作為學生思維和建模過程中的依據，引導學生構建光合作用過程模型，使其在完善模型的過程中感悟科學家的思維過程。

教師在實踐過程中，要深度研究教材，精心設計活動，避免出現兩個問題：一是將時間和精力耗費在無足輕重的細節上，背離了構建模型的核心目的；二是過分依賴科學史實驗材料，忽視學生的思維能動性。

參考文獻

［1］劉沖.基于科學史和探究的“光合作用的過程”教學設計［J］.中學生物學，2021，37（5）：72-74.