基于建構生命觀念的題組設計與實踐
——以一輪復習“光合作用”專題為例

何麗婷

(廣西壯族自治區南寧市第三中學)

生命觀念是對生命現象和事實進行理解和解釋后抽象形成的意識、觀念和方法,包括結構與功能觀、進化與適應觀、物質與能量觀等。生命觀念較抽象,學生不容易理解,因此教師需要將生命觀念落實到生物學概念的復習中,以生命觀念對應的概念和事實作為錨定點,讓學生在生物學事實中歸納整理出相關的生物學概念,再由相關概念抽象、提煉、概括為核心概念,最后升華總結為相對應的生命觀念。

一、題組設計方向

通過新授課的學習,學生已經對光合作用的主干知識有了一定的理解,因此在一輪復習中教師要通過題組設計,使學生逐步構建生命觀念,基于此,筆者結合本專題的知識內容和《課程標準》的相關要求設計了以下題組:“葉綠體的結構與功能”題組、“光合作用的原理及應用”題組、“光合作用和呼吸作用的聯系”題組。各題組內的選題需從不同角度提供生物學事實,引導學生歸納相關知識,聚焦核心概念。為增強題組間的邏輯性和指向性,教師需梳理各題之間的關系,對全部題目進行科學的排序,促使學生在解決問題的過程中形成生命觀念。結合生命觀念的建構并考慮各概念間的關系,筆者將“光合作用”專題的題組設計思路歸納如圖1。

圖1 典型題組設計思路

二、題組設計的原則

題組設計和命制是教師必備的教學技能,優質的試題可以幫助教師精準評價教學目標是否達成,以便及時調整教學計劃。筆者將命題的一般原則與培養生命觀念的試題特點相結合,總結以下建構生命觀念的題組設計基本原則。

(一)考查內容具有科學性

科學性原則是命制試題的基本原則,在試題命制或選編過程中要注意:1.題干要精煉明確,題目陳述、設問以及答案等要保證科學嚴謹、指向性明確,避免因描述不清、有歧義的表述等導致學生理解出現偏差;2.生物學概念和內容的考查應與事實相符,考查范圍要符合《課程標準》的規定,不要為了追求難度和新穎而超出學生的認知水平;3.試題中的表格、流程圖、模型圖等都要有科學依據,不能憑個人教學經驗進行編造而造成知識性錯誤。

(二)情境設計具有真實性

在題組設計中,真實的問題情境是必不可少的要素。題目中涉及的問題情境應該是有科學依據且真實存在的,并蘊含有一定的生物學概念和客觀規律在其中,不能使用未經證實的推測和編造的情境。命題的素材可借助教材資料、科技新聞等途徑獲取,而后結合考查目的對素材進行合理修改,使情境素材與學生生活緊密聯系,引發學生的學習興趣。在真實的問題情境中,學生能更深切地體會到生物學知識與生活的聯系,同時也提高學生利用生物學知識解決實際問題的能力。

(三)試題呈現形式多元化

試題的呈現形式也是題組設計過程中需要思考的問題。大量的文字描述會令學生感到疲憊,教師可以利用細胞結構的模型、生化反應的流程圖、物質變化的曲線圖和表格等形式多角度呈現考查內容,一方面提高學生的學習興趣,另一方面也考查學生處理和獲取信息的能力。

三、題組設計實踐

題組一:葉綠體的結構與功能

[題1]圖2中甲圖為葉綠體的結構模式圖,乙圖為甲圖中取出的部分結構放大圖。下列敘述正確的是

( )

甲

乙

A.甲圖中葉綠體內膜堆疊使得生物膜面積增大

B.乙圖來自甲中的③,光合作用相關的酶都分布于其上

C.④中CO2固定過程要消耗③上產生的ATP中的化學能

D.乙圖中的光合色素分布在甲中的③上

[題2]在某真核細胞中有三種具有雙層膜的細胞結構,其示意圖如圖3所示,下列有關分析正確的是

( )

a

b

c

A.a表示線粒體,[H]與氧結合形成水發生在基質中

B.b表示葉綠體,內外膜的存在增大了光合作用相關酶的附著面積

C.c中的孔道是大分子進出該結構的通道,具有選擇性

D.a、b、c中內外膜化學成分差異最大的是圖b

題組二:光合作用的原理及應用

[題3]2021年,《Science》報道了中科院科研團隊在人工合成淀粉方面取得的重大突破。研究人員從動植物和微生物等31個物種中獲取生物催化劑,在無細胞系統中構建了11步反應的淀粉合成人工路徑—ASAP路徑。該合成路徑過程如圖4所示,請回答相關問題:

圖4

(1)對于自然界綠色植物來說,過程①和過程②可發生在葉肉細胞中的________。

(2)植物細胞中光反應階段將太陽能轉變為___________________。人工合成淀粉的過程與卡爾文循環類似,推測人工合成淀粉應加入_____________________。

(3)在與植物光合作用固定的CO2量相等的情況下,人工合成淀粉的積累量________(填“高于” “低于”或“等于”)植物,原因是______________________________。

(4)人工合成淀粉技術的突破使淀粉生產由傳統農業種植轉向工業化成為可能。請結合所學知識分析,該成果在未來的一項應用前景_____________________________________(答出一點即可)。

[題4]為探究CO2濃度倍增和干旱脅迫對紫花苜蓿光合作用的影響,下表為科研人員在適宜溫度的條件下,人工控制CO2濃度和水分模擬CO2濃度倍增和干旱脅迫得到的實驗數據,下列說法錯誤是

( )

表1

A.在干旱脅迫條件下,光合速率降低的原因可能是氣孔開度降低,CO2吸收減少

B.CO2濃度倍增會提高氣孔開度和水分利用效率,使光合速率上升

C.CO2濃度倍增可以減緩因干旱引起的氣孔開度降低幅度

D.CO2濃度倍增時光合速率并未倍增,可能是高濃度CO2環境降低了固定CO2酶的活性

題組三:光合作用和呼吸作用的關系

[題5]光合作用和呼吸作用相互依存,又有各自獨立的工作系統,圖5為某植物葉肉細胞光合作用和呼吸作用過程的物質變化示意圖,下列敘述正確的是

( )

圖5

A.Ⅰ過程表示光反應階段,②和③分別代表ADP+Pi和NADP+

B.圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ過程均能發生能量轉換并產生ATP

C.Ⅱ過程發生在葉綠體基質、Ⅲ過程發生在線粒體中

D.若該植物凈光合速率為0,則葉肉細胞產生的①在Ⅲ過程中被利用而不會排出細胞

[題6]植物的光補償點是指光合速率和呼吸速率相等時的光照強度。已知甲種植物的光補償點大于乙種植物,將正常生長的兩種植物放置于同一密閉小室中,在溫度和CO2濃度適宜的條件下培養,下列說法錯誤的是

( )

A.若增加CO2濃度,則植物的光補償點會增大

B.當光照強度低于乙的光補償點時,甲乙植物均不能正常生長

C.當乙植物凈光合速率為零時,甲植物的凈光合速率小于零

D.若光照強度適宜,密閉小室中的CO2濃度先下降而后穩定不變

【參考答案】1.D 2.C 3.(1)葉綠體基質 (2)儲存在ATP中的活躍化學能 暗反應相關的酶 (3)高于 人工光合作用系統沒有呼吸作用消耗糖類,因此積累量更多 (4)能節約大量的耕地和淡水資源;減少使用農藥、化肥等對環境產生的負面影響;提高人類糧食安全水平、緩解糧食短缺;減少溫室效應,緩解全球氣候變暖 4.B 5.A 6.A

四、題組設計思路

題組一先從葉綠體的結構出發,幫助學生回顧類囊體薄膜、葉綠體基質的結構特點,為題組二進一步復習光反應和暗反應的具體過程打好基礎。

題組二先通過我國科研團隊在人工合成淀粉中的進展引導學生回顧光反應和暗反應的過程,再借由表格信息題引導學生學會分析多種環境因素對光合作用的影響,提高學生獲取信息、解決綜合問題的能力。

題組三先從基礎的概念模型考查出發,使學生從整體上對光合作用和呼吸作用過程的物質和能量變化、二者之間的聯系有清晰的認識?！皟艄夂纤俾省薄肮夂纤俾省焙汀昂粑俾省边@幾個概念是學生經?；煜闹R點,在學生熟練掌握了光合作用和呼吸作用過程的概念模型后,結合情境信息靈活考查光補償點的相關內容,幫助學生突破重難點。

“結構與功能觀”作為生命觀念之一,高考對其的考查常常建立在基礎知識和核心概念之上,同時學生要能認識和理解各細胞結構的模式圖,因此在題組設計的過程中,增加了示意圖、細胞結構模型等信息,借此提高學生基于圖片提取信息的能力。

題1考查葉綠體結構及功能的相關知識,學生通過比較分析甲乙兩圖后歸納出以下概念:①葉綠體膜面積的增大主要依靠于類囊體膜堆疊而成;②類囊體薄膜上附著有光合色素以及光合作用相關的酶;③光反應在類囊體薄膜上進行。題2在題1基礎上進一步增加了圖示的復雜性,需要學生辨析葉綠體、線粒體、核膜的結構和功能,更深刻地理解“正是由于具有光合色素和光合作用相關的酶,光反應和暗反應才可以在葉綠體上發生”,幫助學生認識到生物體結構和功能相適應的生命觀念。

從題1和題2的答題情況看,學生對葉綠體的結構特點比較熟悉,但在綜合考查細胞結構時出現了知識點模糊的情況,經過復習歸納后,學生能類比歸納出細胞結構的異同,分析綜合的能力得到提升。

題3的前兩個小問中,學生需要將陌生的人工合成淀粉的過程和熟悉的綠色植物的光合作用過程進行類比分析,找到二者可聯系的共通點,促使學生理解“光反應和暗反應過程伴隨著物質和能量變化”的次位概念,從而形成“物質與能量觀”的生命觀念。而第(3)和第(4)問通過問題與真實情境結合,讓學生對實際生活的生命現象進行科學解釋和推測,幫助學生養成從生物學視角看待問題的思維習慣,形成對生命世界的基本看法和態度,并提高解決實際問題的能力。

題4中,學生從題干和表格信息中簡單分析后即可得出干旱和CO2濃度會通過影響氣孔的開度和水分利用效率來影響光合速率,進而抽象出“水分和CO2濃度等外因會影響光合速率”的基本概念。在此過程中學生需要分析氣孔開閉和水分利用對植物光合作用的意義,從而理解植物的形態結構和生理機能的調整是為了更好地應對環境變化,最終形成“進化與適應觀”的生命觀念。同時D選項引導學生對“CO2濃度倍增光合速率并未倍增”這一問題的原因進行思考分析,進而抽象出“光合作用相關的酶等內因也會影響光合速率”的概念。

從題3的答題情況看,基礎知識如光合作用的場所、光反應的能量轉換等內容大部分學生能順利作答,但部分學生在應對人工合成淀粉的陌生情境時無法將其與光合作用的各反應步驟聯系起來,知識的遷移受阻。而題4涉及兩個環境因素對光合作用的影響,因變量的檢測也有2個指標,對學生而言有一定的難度,在分析過程中容易被多個變量迷惑,學生需要系統分析,準確判斷自變量、因變量和無關變量后方能解題。

題5圍繞光合作用和呼吸作用的模式圖展開,使學生在理解和分析模型中加深對光合作用過程中物質與能量變化的認識,同時培養學生類比、分析、推理和綜合的思維,讓學生形成正確的科學意識,通過聯系呼吸作用的過程,使學生體會細胞代謝在生命活動中的作用,進而形成“細胞的生存需要能量和營養物質”的大概念,感悟到物質與能量變化在生命系統中的重要性。

題6則通過描述光補償點的定義,引導學生初步感知凈光合速率的概念,而后通過分析選項進一步歸納提煉出“光照強度大于光補償點時,凈光合速率大于零,此時植物可以正常生長,反之則不能”的結論。

經過了題組二的訓練,學生對光合作用和呼吸作用過程的物質變化基本掌握,但對光合速率、凈光合速率和呼吸速率之間的關系缺乏感性認識,因此題5的D選項和題6失分較多,經過習題的分析后,學生歸納出總光合速率=凈光合速率+呼吸速率,結合題6的D選項進一步明確了三者與CO2、O2和有機物變化量的關系,同時結合光補償點的分析可以加深對光合作用和呼吸作用相關概念的理解和延伸。